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1
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA
CAMPUS FLORIANÓPOLIS DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE METAL-MECÂNICA
CURSO SUPERIOR DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECATRÔNICA
ÉLITON PROBST
DESENVOLVIMENTO E AVALIAÇÃO DE UM SENSOR DE PONTO DE
ORVALHO, COM PASTILHAS PELTIER, PARA MEDIÇÃO DE
UMIDADE RELATIVA DO AR
Florianópolis,25 DE JUNHO DE 2018
2
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA
CAMPUS FLORIANÓPOLIS DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE METAL-MECÂNICA
CURSO SUPERIOR DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECATRÔNICA
ÉLITON PROBST
DESENVOLVIMENTO E AVALIAÇÃO DE UM SENSOR DE PONTO DE
ORVALHO, COM PASTILHAS PELTIER, PARA MEDIÇÃO DE
UMIDADE RELATIVA DO AR
Trabalho de Conclusão de Curso submetido
ao Instituto Federal de Educação, Ciência e
Tecnologia de Santa Catarina como parte dos
requisitos para obtenção do título de Bacharel
em Engenharia Mecatrônica
Professor Orientador: Adriano Regis, Mestre
Eng.
3
Probst, Eliton
DESENVOLVIMENTO E AVALIAÇÃO DE UM SENSOR DE PONTO DE
ORVALHO, COM PASTILHAS PELTIER, PARA MEDIÇÃO DE UMIDADE
RELATIVA DO AR / Eliton Probst; orientador, Adriano Regis – Florianópolis,
SC, 2018.
98p.
Trabalho de Conclusão de Curso (Engenharia Mecatrônica) – Instituto Federal
de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina.
Inclui referencias.
1. Sensor de umidade, 2. Umidade relativa, 3. Ponto de orvalho, 4. Pastilha
Peltier. I. Regis, Adriano. II. Instituto Federal de Educação, Ciência e
Tecnologia de Santa Catarina. III. DESENVOLVIMENTO E AVALIAÇÃO DE
UM SENSOR DE PONTO DE ORVALHO, COM PASTILHAS PELTIER, PARA
MEDIÇÃO DE UMIDADE RELATIVA DO AR
4
DESENVOLVIMENTO E AVALIAÇÃO DE UM SENSOR DE PONTO DE
ORVALHO, COM PASTILHAS PELTIER, PARA MEDIÇÃO DE
UMIDADE RELATIVA DO AR
ELITON PROBST
Este trabalho foi julgado adequado para obtenção do Título de Bacharel em
Engenharia Mecatrônica e aprovado na sua forma final pela banca examinadora do
Curso Superior de Graduação em Engenharia Mecatrônica do Instituto Federal de
Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina
Florianópolis, 4 de julho de 2018
Banca examinadora:
__________________________________
Adriano Regis, Mestre Eng.
(Orientador)
__________________________________
André Roberto de Souza, Dr. Eng.
(Membro da Banca)
__________________________________
Francisco Edson Nogueira de Melo, Mestre Eng.
(Membro da Banca)
5
À minha família, por sua capacidade de acreditar em mim е investir em mim. Mãe, seu cuidado е dedicação foi que deram, em alguns momentos, а esperança para seguir. Pai, sua presença significou segurança е certeza de que não estou sozinho nessa caminhada. À Marina, pessoa com quem amo partilhar а vida. Com você tenho me sentido mais vivo de verdade. Obrigado pelo carinho, а paciência е por sua capacidade de me trazer paz na correria de cada semestre. Aos amigos е colegas, pelo incentivo е pelo apoio constantes, pelas alegrias, tristezas е dores compartilhas. Com vocês, as pausas entre um parágrafo е outro de produção melhora tudo о que tenho produzido na vida.
6
Epigrafe
O sucesso nada mais é que ir de fracasso em
fracasso sem que se perca o entusiasmo.
(Winston Churchill).
7
RESUMO
Sensores de umidade relativa do ar são utilizados em sistemas de controle e aquisição de dados. Estes sensores são facilmente encontrados em estufas, automóveis, refrigeradores, equipamentos médicos, eletrodomésticos, instrumentos de precisão e outros. Mais recentemente, com o crescimento do mercado agrícola no Brasil, a demanda por transdutores de umidade relativa do ar vem crescendo substancialmente em estações meteorológicas para agricultura de precisão, estocagem e transporte de grãos, entre outros produtos. Esta proposta trata do desenvolvimento de um sensor de umidade relativa do ar por detecção de ponto de orvalho utilizando espelho resfriado, (higrômetro de espelho resfriado) automatizado. Utilizando uma pastilha Peltier para atingir a temperatura de saturação do vapor d’água presente no ar, e um fotoresistor para detecção da condensação sobre o espelho, indicando ao micro controlador o instante para a aquisição das temperaturas de ponto de orvalho e do ambiente e assim realizando o cálculo da umidade relativa do ar.
Palavras-chave: Sensor de umidade. Ponto de orvalho. Umidade relativa. Pastilha Peltier.
8
Abstract
Relative humidity sensors are used in control and data acquisition systems.
These sensors are easily found in greenhouses, automobiles, refrigerators, medical
equipment, appliances, precision instruments and others. More recently, with the
growth of the agricultural market in Brazil, the demand for air humidity transducers has
been growing substantially in meteorological stations for precision agriculture, storage
and transportation of grains, among other products. This proposal deals with the
development of an automated relative humidity sensor by dew point detection using a
cooled mirror (automated mirror hygrometer). Using a Peltier pellet to reach the
saturation temperature of the water vapor present in the air, and a photoresistor to
detect the condensation on the mirror, indicating to the microcontroller the instant for
the acquisition of the temperatures of dew point and of the environment and thus
calculating the relative humidity of the air.
Key words: Humidity sensor. Dew point. Relative humidity. Peltier tablet.
9
Lista de figuras
Figura 1 – Psicrômetro de Assmann. ....................................................................... 23
Figura 2 - Higrômetro mecânico ............................................................................... 25
Figura 3 – Higrômetro por impedância elétrica ......................................................... 26
Figura 4 - Sensor de umidade capacitivo com fino filme: (A) eletrodos interdigitados
formam o capacitor; (B) secção transversal do sensor ............................................. 27
Figura 5 - Composição de um sensor de umidade resistivo ..................................... 27
Figura 6 - Sensor de ponto de orvalho óptico ........................................................... 30
Figura 7 - Gráfico temperatura por pressão ............................................................. 33
Figura 8 - Gráfico temperatura por pressão ............................................................. 34
Figura 9 - Modelo do higrômetro .............................................................................. 36
Figura 10 – Esquemático de ligações eletro eletrônicas ........................................... 37
Figura 11 - Ligação em serie pastilhas Peltier .......................................................... 38
Figura 12 - Construção pastilha Peltier .................................................................... 39
Figura 13 - Dissipador .............................................................................................. 39
Figura 14 - Cooler. ................................................................................................... 40
Figura 15 – Ligação elétrica cooler .......................................................................... 40
Figura 16 – Chapa de inox ....................................................................................... 41
Figura 17 - Arduino uno ........................................................................................... 41
Figura 18 – Driver com L298 .................................................................................... 44
Figura 19 - Ligações do driver L298 ......................................................................... 45
Figura 20 - Ligação Pt-100 ....................................................................................... 46
Figura 21 – Estrutura funcional CI MAX 31865 ........................................................ 47
Figura 22 - Ligação placa MAX31865. ..................................................................... 48
Figura 23 - Ligação LDR. ......................................................................................... 48
Figura 24 – Câmara de acrílico ................................................................................ 49
Figura 25 – A – Modelo flange dos sensores e das pastilhas ................................... 50
Figura 26 - A – Modelo flange do cooler................................................................... 50
Figura 27 - Vista superior com explosão dos componentes ..................................... 52
Figura 28 - Vista lateral com explosão dos componentes ........................................ 52
Figura 29 - Vista isométrica com explosão dos componentes .................................. 53
Figura 30 – Fluxo de ar no dissipador ...................................................................... 53
Figura 31 - Resposta do sensor no tempo ............................................................... 54
10
Figura 32 – Modelo de identificação de processo por ZN. ........................................ 55
Figura 33 - Modelo de identificação de processo por SM ......................................... 56
Figura 34 - Modelo de identificação de processo por SK ......................................... 58
Figura 35 – Analize dos modelamentos ................................................................... 59
Figura 36 – Gráfico de resposta com Kp=6,2 e Ki=1,4 ............................................. 61
Figura 37 – Interface do usuário .............................................................................. 64
Figura 38 – Resposta da planta para Kp=3 .............................................................. 65
Figura 39 – Resposta da planta para Kp=5 .............................................................. 66
Figura 40 – Resposta da planta para Kp=5 e Ki=5 ................................................... 67
Figura 41 – Resposta da planta para Kp=5 e Ki=10 ................................................. 67
Figura 42 – Resposta da planta para Kp=5, Ki=10 e Kd=10 ..................................... 68
Figura 43 – Resposta da planta para Kp=5, Ki=10 e Kd=16 ..................................... 69
Figura 44 – Controle aplicado a planta ..................................................................... 69
Figura 45 – Gráfico de temperaturas com controle aplicado .................................... 70
Figura 46 – Medidas realizadas com a câmara aberta ............................................. 72
Figura 47 – Medidas realizadas com a câmara fechada .......................................... 74
Figura 48 - Medidas realizadas com a câmara fechada e coberta............................ 75
Figura 49 - Comparação laser .................................................................................. 77
Figura 50 - Estabilização do laser ............................................................................ 77
Figura 51 - Ponte de Wheatstone............................................................................. 79
11
Sumário
1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 14
1.1 OBJETIVOS ....................................................................................................... 15
1.1.1 Objetivo principal ............................................................................................. 15
1.1.2 Objetivos específicos ...................................................................................... 15
1.2 JUSTIFICATIVA E RELEVÂNCIA ...................................................................... 15
1.3 ANÁLISE DAS CONDIÇÕES PRÁTICAS E DE FACTIBILIDADE DA
PESQUISA .............................................................................................................. 16
1.3.1 Recursos ......................................................................................................... 16
1.4 CRONOGRAMA PREVISTO PARA O DESENVOLVIMENTO DO TCC. ............ 17
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................. 18
2.1 UMIDADE .......................................................................................................... 18
2.2 PSICROMETRIA ................................................................................................ 18
2.2.1 Propriedades do ar úmido ............................................................................... 18
2.2.2 O ar seco ........................................................................................................ 19
2.2.3. O ar úmido. .................................................................................................... 19
2.2.4 Pressão de vapor ............................................................................................ 20
2.2.5 Umidade absoluta ........................................................................................... 20
2.2.6 Umidade relativa ............................................................................................. 21
2.2.7 Ponto de orvalho ............................................................................................. 22
2.3 TIPOS SENSORES DE UMIDADE RELATIVA DO AR ...................................... 22
2.3.1 Psicrômetro de bulbo seco e úmido ou psicrômetro de Assmann ................... 23
2.3.2 Medidores de umidade por mudança de cor ................................................... 24
2.3.3 Higrômetro gravimétrico .................................................................................. 24
2.3.4 Higrômetro mecânico ...................................................................................... 24
2.3.5 Higrômetros por impedância elétrica ............................................................... 25
12
2.3.6 Sensores capacitivos ...................................................................................... 26
2.3.7 Sensores resistivos ......................................................................................... 27
2.3.8 Eletrolítico ....................................................................................................... 28
2.4 SENSORES DE PONTO DE ORVALHO............................................................ 28
2.4.1 Sensores de ponto de orvalho por impedância ............................................... 29
2.4.2 Higrômetro de cloreto de lítio saturado ............................................................ 29
2.4.3 Higrômetro por condensação .......................................................................... 29
2.5 SENSORES DE UMIDADE BASEADOS EM MEMS .......................................... 31
2.6 CALCULO DA UR A PARTIR DA TEMPERATURA DE PONTO DE ORVALHO 32
2.6.1 Usando gráficos de temperatura por pressão .................................................. 32
2.6.2 Formula Magnus ............................................................................................. 34
3 MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................... 36
3.1 ESQUEMA DE LIGAÇÕES ................................................................................ 37
3.2 MATERIAIS UTILIZADOS .................................................................................. 37
3.2.1 Pastilha Peltier ................................................................................................ 37
3.2.2 Dissipador ....................................................................................................... 39
3.2.3 Cooler ............................................................................................................. 40
3.2.4. Elemento refletor ............................................................................................ 41
3.2.5 Arduino............................................................................................................ 41
3.2.6 L298 ................................................................................................................ 43
3.2.7 Sensores de temperatura ................................................................................ 45
3.2.8 Placa Max31865 ............................................................................................. 46
3.2.9 Ldr ................................................................................................................... 48
3.2.10 Laser ............................................................................................................. 49
.2.11 Câmara ........................................................................................................... 49
3.2.12 Flanges ......................................................................................................... 49
13
3.3 DESENVOLVIMENTO MECÂNICO ................................................................... 51
3.4 PID DO PONTO DE ORVALHO ......................................................................... 53
3.4.1 Identificação do processo ................................................................................ 54
3.5 AQUISIÇÃO UMIDADE DE COMPARAÇÃO ..................................................... 61
3.6 PROGRAMAÇÃO .............................................................................................. 62
3.7 DESENVOLVIMENTO DA INTERFACE ............................................................ 63
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES .......................................................................... 65
4.1 AJUSTE PID ...................................................................................................... 65
4.2 CÁLCULO DA UMIDADE ................................................................................... 70
4.2.1 Propagação de incertezas ............................................................................... 70
4.3 TESTES ............................................................................................................. 72
5 CONCLUSÃO E PROJETOS FUTUROS .............................................................. 76
REFERENCIAS ....................................................................................................... 80
APÊNDICE A – PROGRAMAÇÃO DO MICROCONTROLADOR............................. 83
APÊNDICE B – FLUXOGRAMA............................................................................... 89
APÊNDICE C – MEMORIAL DE CALCULOS MATHCAD ........................................ 93
ANEXO A – RECOMENDAÇÕES PARA DESENVOLVIMENTO E UTILIZAÇÃO DE
UM HIGRÔMETRO DE PONTO DE ORVALHO. ..................................................... 95
ANEXO B – PELTIER DEW POINT HYGROMETER PATENTED 3 DE DEZEMBRO
DE 1963 ................................................................................................................... 98
14
1 INTRODUÇÃO
O índice mais conhecido para descrever o conteúdo de vapor d’água
presente no ar é a umidade relativa (U.R.), definida como a razão entre a quantidade
de vapor d’água presente no ar (umidade absoluta) e a máxima quantidade de vapor
d’água que poderia haver para a mesma temperatura (ponto de saturação), essa
razão é convencionalmente dada em porcentagem (AYOADE, 2001, apud COSTA
JUNIOR, 2011).
Higrômetros, também conhecidos como sensores de umidade, são
transdutores utilizados para medir o percentual de umidade de gases ou do ar, sendo
baseados em princípios de medição como psicrometria, variação da condutividade de
soluções salinas, entre outros. Sensores eletrônicos, baseados na variação da
capacitância ou resistência elétrica têm sido amplamente utilizados em aplicações de
monitoramento, devido ao baixo custo destas soluções.
Em muitos processos a umidade relativa é um fator crítico que precisa ser
monitorado e controlado. Sensores de umidade por ponto de orvalho são a principal
tecnologia de medição de umidade nos laboratórios nacionais de normalização em
nível mundial, devido a sua precisão.
Dentre os diversos princípios de medição de ponto de orvalho, considera-
se a medição por espelho resfriado uma das mais precisas, por sua excelente
repetitividade em uma grande faixa de medição. A temperatura em que se forma a
condensação sobre o espelho é medida diretamente diminuindo o desvio e a
histerese.
Devido a sua necessidade de atuação (aquecimento/resfriamento) seu uso
é praticamente restrito a calibradores de transdutores de outros princípios de
funcionamento e avaliação de câmaras climáticas.
15
1.1 OBJETIVOS
1.1.1 Objetivo principal
Desenvolver um higrômetro baseado no ponto de orvalho, com supervisório
para automatizar o processo de levantamento de curvas de calibração.
1.1.2 Objetivos específicos
- Desenvolver um higrômetro de baixo custo, com precisão que possa ser
utilizado para calibração de outros higrômetros;
- Desenvolver um sistema de acionamento e controle para placa Peltier;
- Desenvolver sistema supervisório baseado em Labview;
- Comparar o desempenho do higrômetro de ponto de orvalho desenvolvido
com o resultado da medição de transdutores de outros princípios de
medição.
1.2 JUSTIFICATIVA E RELEVÂNCIA
A medição da umidade na superfície da Terra é necessária para a análise
e revisão meteorológica, para estudos climáticos, e para aplicações em hidrologia,
agricultura, aeronáutica e estudos ambientais, em geral. Principalmente por sua
importância para as mudanças de estado da água na atmosfera (FRADEN 2003).
O controle da umidade é importante em ambientes onde a mesma
influencia, nas atividades realizadas no local. Como no armazenamento de grãos e
cereais, em certas condições de umidade e temperatura pode comprometer a sua
conservação do mesmo modo com diversos alimentos e outros produtos (cimento,
cal), (MARGARIDO,2014).
Em laboratórios a umidade pode alterar os resultados de exames, ensaios
e medidas, em laboratórios de metrologia, por exemplo, afeta no comportamento e na
conservação dos materiais que compõem os instrumentos, os padrões e as peças.
16
A elevada incerteza de medição dos sensores eletrônicos nas faixas de
umidade inferiores à 10% e superiores à 90%, fazem com que os mesmos sejam
inadequados para aplicações de monitoramento ambiental. Desse modo, justifica-se
a importância de um método de calibração de baixo custo para estes sensores, a fim
de determinar os erros sistemático e aleatório dos mesmos.
Considerando-se que a medição de temperatura é geralmente mais
precisa que a umidade, um equipamento gerador de ponto de orvalho atua na
temperatura de uma superfície a fim de estimular a condensação da água e
determinando-se assim a umidade de maneira indireta.
1.3 ANÁLISE DAS CONDIÇÕES PRÁTICAS E DE FACTIBILIDADE DA PESQUISA
O trabalho proposto trata do desenvolvimento e testes de um higrômetro
baseado no ponto de orvalho para a medição da humidade relativa do ar.
1.3.1 Recursos
Os recursos materiais (hardware) necessários para o desenvolvimento do
aparato, já disponíveis na instituição (por parte do orientador) são:
- Kits de desenvolvimento (Arduino DUE);
- Módulos Peltier;
- Sensores de temperatura;
- Sensores de umidade relativa diversos;
- Computador pessoal;
- Computadores da instituição.
Os recursos de software necessários para o desenvolvimento do aparato
são:
- Planilha eletrônica;
17
- PLXDaq;
- Arduino IDE.
1.4 CRONOGRAMA PREVISTO PARA O DESENVOLVIMENTO DO TCC.
O Quadro 1 apresenta o gráfico de Gantt com o cronograma proposto para
a execução do trabalho, dividido nas principais atividades necessárias para seu
desenvolvimento, e subdividido nas semanas de cada mês do semestre letivo
baseado no calendário acadêmico da instituição.
Quadro 1 - Gráfico de Gantt
Fonte: Elaboração própria.
18
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Este capítulo apresenta os conceitos básicos e definições relacionados à
umidade relativa do ar, ponto de orvalho e também apresenta sensores de U.R. e seus
princípios de funcionamento, facilitando a compreensão de alguns fenômenos
envolvidos no desenvolvimento do protótipo.
2.1 UMIDADE
Pode-se definir a umidade como a quantidade de água contida em um
líquido, sólido ou gás, que pode ser removida sem alterar suas propriedades químicas
(FRADEN, 2003 p.394). A umidade pode ser expressa de diferentes maneiras,
dependendo do ambiente que utiliza essa informação (indústria, laboratórios,
agropecuária, meteorologia, etc.), em sólidos é comum ser expressa em porcentagem
de agua pela massa total, em líquidos de baixa miscibilidade pode ser demonstrada
em partes por milhão em peso e em gases pode ser expressa pela massa de vapor
d’água para um dado volume. (FRADEN, 2003, p. 393).
2.2 PSICROMETRIA
A origem da palavra psicrometria que vem do “grego”, psicro = água fria e
metria= medida, e estuda as propriedades termodinâmicas do ar úmido e seu uso na
análise das condições e processos que envolvem o ar úmido (ASHRAE apud
SCHNEIDER, 2000).
2.2.1 Propriedades do ar úmido
Embora o vapor d’água represente somente 2% da massa total da
atmosfera e 4% de seu volume, ele é o componente atmosférico mais importante na
determinação do tempo e do clima (AYOADE, 1996, p.128). A quantidade de vapor
d’água contido na atmosfera varia de lugar para lugar e ao longo do tempo, em
determinada localidade. Podendo variar de quase zero, em áreas quentes e áridas,
até um máximo de 3% nas latitudes medias e 4% nos trópicos úmidos (AYOADE,
1996).
19
Umidade atmosférica é o termo utilizado para descrever a quantidade de
vapor d’água contido na atmosfera. Ele não inclui outras formas nas quais a água
pode estar presente na atmosfera, como na forma liquida (gotículas de água) e na
forma solida (gelo), (AYOADE, 1996, p.128).
2.2.2 O ar seco
O ar seco é composto por uma mistura de nitrogênio (78%), oxigênio (21%),
argônio (0,9%) e outros gases em menor concentração (0,1%). Essa mistura se
mantém homogênea na fase gasosa para uma grande faixa de temperaturas e
pressões. O ar seco pode ser modelado como um gás ideal para a faixa de
temperatura entre -10oC a 50oC, obedecendo a Equação de Clapeyron mostrada na
Equação 1.
𝑃𝑣 = 𝑛𝑅𝑇 (1)
Onde:
P = a pressão do gás
v = volume do recipiente
R = constante universal dos gases perfeitos
T = temperatura do gás
n = número de mols
Pela da Lei de Dalton das pressões parciais, sabe-se que numa mistura
gasosa cada gás exerce uma pressão parcial independente da presença dos demais
gases como mostra a Equação 2.
𝑃𝑇 = 𝑃1+𝑃2 +⋯+ 𝑃𝑛 (2)
2.2.3. O ar úmido.
É aquele que além da mistura anterior apresenta vapor d'água, proveniente
da evaporação de lagoas, mares e rios.
20
O vapor d’água presente no ar também pode ser considerado um gás ideal,
sendo aplicáveis as regras relativas às Leis de Dalton utilizando a Equação 2. Assim
a pressão padrão do ar atmosférico (aproximadamente 101,3 kPa), é a soma das
pressões parciais do nitrogênio, do oxigênio, dos outros gases e também do vapor
d’água (POTTER; SCOTT, 2007, p. 250).
𝑃𝑎𝑟 = 𝑃𝑁 + 𝑃𝑂 + 𝑃𝐴𝑟 + 𝑃𝐻2𝑂 + 𝑃𝑜𝑢𝑡𝑟𝑜𝑠
O ar seco tende a absorver a água de qualquer elemento que contenha um
nível de umidade superior ao seu. Esta troca de umidade enriquece ao ar e seca os
elementos expostos. A situação inversa também é verdadeira, se o ar possui uma
porcentagem alta de umidade (ar úmido) tendera a doar água aos elementos que
estão mais secos.
2.2.4 Pressão de vapor
A quantidade de vapor d’água que pode haver no ar é determinada por sua
temperatura. Quanto maior a temperatura de um certo volume de ar, maior a
capacidade de retenção de vapor d’água para o mesmo volume de ar. Se o ar contiver
a máxima concentração de vapor d’água permitida para uma determinada
temperatura, diz-se que o ar está saturado, (isto é, se tem a condensação do vapor
d’água presente no ar) e se tem a pressão de vapor de saturação (Pvs). Para uma
quantidade de vapor insuficiente para a saturação do ar se tem a pressão parcial de
vapor (Pv).
Portanto se pode dizer que o ar funciona como um “reservatório” que se
expande ou contrai com a variação de sua temperatura, variando também a pressão
de saturação (COSTA JUNIOR, 2011, p.6).
2.2.5 Umidade absoluta
Umidade absoluta é a massa de vapor d’água por unidade de volume de
um gás úmido. Em outras palavras, é a densidade de vapor d’água, que pode ser
medido, por exemplo, passando uma quantidade medida de ar através de uma
substancia absorvedora de umidade como gel de sílica que é pesada antes e depois
da absorção. A umidade absoluta é expressa em gramas por metro cúbico (g/m3).
21
Como esta medida também é em função da pressão atmosférica, não é geralmente
utilizada para a engenharia (FRADEN, 2003, p394).
2.2.6 Umidade relativa
Comumente expressa em porcentagem a umidade relativa do ar é a razão
entre a pressão parcial do vapor (Pv) e sua pressão de saturação (Pvs) para uma
mesma temperatura dada pela Equação 3.
𝑈𝑅 = 100𝑃𝑣
𝑃𝑣𝑠 (3)
Pv = pressão parcial do vapor (mBar)
Pvs = pressão de saturação (mBar)
Ou seja, é a razão entre valor real de umidade de uma amostra de ar, e a
máxima quantidade de vapor que o mesmo volume de ar pode conservar para a
mesma temperatura. A umidade relativa é a medida de umidade do ar mais popular,
pois é facilmente obtida e também indica o nível de saturação do ar.
Devido à influência que a temperatura tem sobre os valores de umidade
relativa, por exemplo, para uma amostra de ar se mantendo a mesma umidade
absoluta (razão entre massa de vapor d’água por volume de ar) a umidade relativa
varia inversamente proporcional a variação da temperatura, não sendo possível a
comparação entre dados provindos de diferentes estações.
Em temperaturas acima do ponto de ebulição, a pressão do vapor d’água
pode deslocar todos os outros gases do ambiente. Assim atmosfera seria, então,
inteiramente de vapor d’água. E umidade relativa seria uma medida enganosa pois
Pvs jamais poderá ser alcançada pois a pressão de saturação será sempre maior que
a pressão atmosférica (WMO, 2008).
Também é importante lembrar que a umidade relativa não oferece
informações da quantidade de umidade no ar, mas quão próximo está da saturação.
22
2.2.7 Ponto de orvalho
Conforme já mencionado, o ar atmosférico serve como um reservatório de
água capaz de retê-la na forma de vapor, sendo que essa quantidade varia de acordo
com a temperatura do ar. Resfriando essa mistura gasosa, chega-se a um estado que
fará com que a água contida no ar, em forma de vapor, torne-se líquida durante um
processo de condensação. A temperatura em que ocorre esse fenômeno é chamada
de "temperatura de saturação", ou "temperatura de ponto de orvalho", (MARGARIDO,
2014, p.26).
A temperatura de ponto de orvalho pode ser definida como: “a temperatura
para o qual o ar úmido deve ser resfriado para induzir a condensação”. O ponto de
orvalho é a temperatura a que a umidade relativa é de 100%. Em outras palavras, o
orvalho ponto é a temperatura que o ar deve atingir para manter o máximo de umidade
que pode. Quando a temperatura esfria ao ponto de orvalho, o ar fica saturado e pode
ocorrer neblina, orvalho ou geada.
Se a temperatura do ponto de orvalho estiver abaixo de 0 °C, então usa-se
o termo “temperatura do ponto de congelamento”, já que nessas condições o
fenômeno promoveria a formação de gelo ao invés de água, (WMO, 2008)
Quando a umidade relativa é igual a 100%, significa que a temperatura do
gás é igual à temperatura do ponto de orvalho, assim quanto menor a temperatura do
ponto de orvalho comparada à temperatura do gás, mais seco está o gás. As medições
do ponto de orvalho são comuns nos processos de secagem (ar seco e secagem de
ar comprimido), bem como nos estudos de meteorologia, com a previsão de formação
de neblinas e geadas.
2.3 TIPOS SENSORES DE UMIDADE RELATIVA DO AR
Conforme apresenta o relatório da Organização Mundial de Meteorologia
(World Meteorological Organization WMO, 2008) existem três principais grupos de
sistemas de medição de humidade relativa, temperatura de bulbo úmido
(Psicrômetros), umidade relativa (Higrômetro) e temperatura do ponto de orvalho.
23
Para detectar umidade, o sensor em um higrômetro deve ser sensível a
água, e suas propriedades internas devem variar de acordo com a concentração de
água.
A umidade influencia em diversos processos físicos, químicos e biológicos.
Em consequência disto, existem diversos efeitos relacionados com a umidade usados
para a indicação das variações de umidade.
2.3.1 Psicrômetro de bulbo seco e úmido ou psicrômetro de Assmann
Um psicrômetro de bulbos seco e úmido é formado por um par de sensores
de temperatura, sendo que o bulbo de um deles é coberto por um tecido que é mantido
úmido por capilaridade a partir de um reservatório com agua (Figura 1). Quando o
bulbo úmido é colocado em uma corrente de ar, a água evapora do tecido, existindo
uma temperatura de equilíbrio chamada temperatura de bulbo úmido, (SCHNEIDER,
2000, p.21).
Com as temperaturas de bulbo seco e bulbo molhado, se pode determinar
a umidade relativa do ar por cálculo, gráficos ou tabelas.
Figura 1 – Psicrômetro de Assmann.
Fonte: Adaptado de PCE.
24
2.3.2 Medidores de umidade por mudança de cor
Existem métodos de se medir umidade por meio de alterações na cor de
uma tira de papel ou de outro material. O material sensor é impregnado com cloreto
de cobalto, e a mudança de cor ocorre como resultado de uma reação química da
umidade com esta substância. Outras técnicas de medição baseadas na alteração de
cor envolvem o bombeamento do gás através de uma pequena garrafa recheada com
cristais que mudam de cor de acordo com a umidade do gás (SCHNEIDER, 2000,
p.24).
2.3.3 Higrômetro gravimétrico
Este método usa a absorção de vapor d’água dessecando um volume de
ar conhecido. O método gravimétrico produz uma medida absoluta do teor de vapor
d’água de uma amostra de ar. Isto é obtido removendo o vapor d’água da amostra de
ar. A massa do vapor d’água é determinada pesando o agente de secagem antes e
depois de absorver o vapor d’água. O método é restrito a fornecer um padrão de
referência de calibração, e tal aparelho é encontrado principalmente em laboratórios
nacionais de padrões e calibração (WMO, 2008).
2.3.4 Higrômetro mecânico
Higrômetros mecânicos exploram a capacidade que certos materiais têm
de expandir e contrair com a variação da U.R., o elemento sensor pode ser feito a
partir de cabelo humano, tecidos, plásticos e catgut (material obtido a partir da torção
de intestinos de ovelha e outros animais, também usado em cordas de violino e
raquetes de tênis), (SILVA, et al., 2008).
O cabelo humano livre de gorduras tem a propriedade de aumentar seu
comprimento ao absorber umidade e de diminuir quando a perde. Essa variação é
convenientemente ampliada e transmitida a um ponteiro, sobre um mostrador, que
indicara diretamente a umidade relativa do ar (Figura 2).
25
Figura 2 - Higrômetro mecânico
Fonte: Adaptado de sobiologia.
Higrômetros mecânicos são instrumentos de resposta lenta que
apresentam histerese e são facilmente alterados devido à vibração.
2.3.5 Higrômetros por impedância elétrica
O sensor utilizado neste tipo de medidor é fabricado a partir de um material
higroscópico, cujas propriedades elétricas se alteram na medida em que o mesmo
absorve as moléculas de água. As mudanças na umidade são medidas em termos de
alterações na capacitância, na resistência elétrica, ou mesmo na combinação das
duas. A maioria dos sensores de impedância modernos utiliza a tecnologia de filmes
finos. Os higrômetros elétricos (Figura 3) são normalmente portáteis e compactos
(MARTINELLI, p.31).
26
Figura 3 – Higrômetro por impedância elétrica
Fonte: Adaptado de ASKO.
O elemento sensor normalmente é protegido por um filtro para evitar
contaminações, mesmo que esta proteção possa prejudicar o tempo de resposta do
sensor. As leituras são fornecidas diretamente em um visor, e podendo inclusive
dispor de uma saída na forma de um sinal elétrico proporcional.
2.3.6 Sensores capacitivos
Um capacitor que utiliza ar como dielétrico pode servir como um sensor de
umidade relativa pois a umidade presente no ar altera a permissividade elétrica do ar
e, portanto, a capacitância se torna proporcional a umidade relativa (FRADEN, 2003,
p.396).
O dielétrico do capacitor também pode ser substituído com um material cuja
constante dielétrica mude significativamente com a variação da umidade relativa como
por exemplo um polímero higroscópico, a Figura 4 mostra um modelo típico deste tipo
de sensor.
27
Figura 4 - Sensor de umidade capacitivo com fino filme: (A) eletrodos interdigitados formam o capacitor; (B) secção transversal do sensor
Fonte: Adaptado de FRADEN (2003).
Este tipo de sensor responde melhor à umidade relativa, apresentando uma
melhor linearidade em baixas umidades relativas. Em geral os sensores capacitivos
não sofrem danos pela condensação (100% de umidade relativa), contudo, se isto
ocorrer, a calibração pode apresentar um desvio.
2.3.7 Sensores resistivos
A resistência de determinados condutores não metálicos depende do seu
teor de agua, esse fenômeno é a base de um sensor de umidade resistivo. O sensor
possui um material com uma resistência relativamente baixa que muda
significativamente com a variação da umidade. A Figura 5 mostra o princípio de
construção deste tipo de sensor.
Figura 5 - Composição de um sensor de umidade resistivo
Fonte: Adaptado de FRADEN (2003).
28
Assim como nos sensores capacitivos, este sensor responde melhor à
umidade relativa. Entretanto, apresentam uma melhor linearidade em umidades
relativas elevadas. A maioria dos sensores resistivos não tolera a condensação sobre
o elemento sensor. Porém, existem modelos que possuem dispositivos de proteção
que evitam a condensação, por exemplo, utilizando um aquecimento automático do
sensor (FRADEN, 2003, p.400)
2.3.8 Eletrolítico
Este sensor consiste de um filme de um poderoso secante, pentóxido
fosforoso (P205), que absorve fortemente o vapor d’água contido no gás ao seu redor.
Uma tensão elétrica é aplicada através do P205, o que provoca a eletrólise,
dissociando a água em seus constituintes - hidrogênio e oxigênio. A corrente aplicada
é relacionada, pela Lei de Faraday, à quantidade de água eletrolisada (MARTINELLI,
2003).
Assim, o valor da corrente é utilizado como indicador da umidade do gás
que está sendo medido. Estes sensores são indicados para a medição de umidades
bastante baixas, e necessitam que a vazão do gás seja definida e constante. Este
instrumento mede a concentração de água por unidade de volume, e o valor de
umidade pode ser apresentada em partes por milhão por volume ou pressão de vapor.
Eles são normalmente utilizados na configuração de amostragem do gás por meio de
um tubo.
2.4 SENSORES DE PONTO DE ORVALHO
A maioria dos sensores de umidade possuem problemas de repetitividade
e histerese com valores típicos de 0.5% a 1% de HR, o que para controle de processos
de precisão pode ser um fator limitante, justificando assim o uso de métodos indiretos
para medição da umidade relativa, (FRADEN, 2003, p.402).
O método mais eficiente para o cálculo da umidade absoluta ou relativa é
utilizando a temperatura do ponto de orvalho, (FRADEN, 2003, p.402).
29
2.4.1 Sensores de ponto de orvalho por impedância
É um caso especial dos higrômetros de impedância, seu uso mais comum
é para a medição de unidades absolutas do que em termos da umidade relativa.
Seguindo um princípio geral similar, o sensor pode ser composto de óxido de alumínio
ou de outros metais ou mesmo uma base de silicone para o elemento ativo. Este tipo
de sensor responde à pressão parcial do vapor. Normalmente, o sinal é convertido em
outras unidades absolutas, resultando em valores apresentados pelo instrumento
como ponto de orvalho ou ppmv (parte por milhão em volume). Estes medidores
podem apresentar uma ampla faixa de medição, incluindo-se gases muito secos.
2.4.2 Higrômetro de cloreto de lítio saturado
Neste higrômetro o elemento sensor, é um sal higroscópico, que absorve o
vapor d’água do ar. Uma tensão elétrica é aplicada através do sal e uma corrente
elétrica proporcional atravessa o mesmo de acordo com a quantidade de vapor d’água
que foi absorvida. No mesmo instante, a corrente elétrica também aquece o sal. Ao
final, é alcançado um equilíbrio entre a absorção e o aquecimento. A temperatura em
que este equilíbrio ocorre está relacionada com a pressão de vapor d’água. O
instrumento é normalmente disponível na forma de uma sonda, e as leituras
apresentadas na forma de ponto de orvalho, (WMO, 2008).
2.4.3 Higrômetro por condensação
Dentre os higrômetros que utilizam o ponto de orvalho para determinar a
umidade relativa o que possui os efeitos mínimos de histerese requer o uso de um
sistema óptico. O custo de um higrômetro óptico é consideravelmente alto, porem o
aumento do rendimento e a qualidade do produto justificam facilmente investimento.
O princípio de funcionamento deste tipo de sensor utiliza um espelho cuja
a temperatura é regulada com precisão por uma bomba de calor termoelétrica. A
temperatura é mantida no limiar da formação do orvalho, fazendo com que o ar em
contato com o espelho libere umidade na forma de gotículas de agua. Mudando assim
as propriedades reflexivas do espelho, dispersando os raios de luz, o que pode ser
detectado por um fotodetector conforme mostra o esquema simplificado (Figura 6).
30
Figura 6 - Sensor de ponto de orvalho óptico
Fonte: Adaptado de FRADEN (2003).
No momento que ocorre a condensação da agua a refletividade do espelho
diminui o que causa a redução da corrente no fotodetector.
A leitura pode ser registrada no instante da condensação, ou o espelho
pode ser mantido na temperatura possibilitando a captura de uma série de leituras. As
leituras são apresentadas na forma de temperatura de ponto de orvalho, do qual
podem ser obtidos todos os parâmetros de umidade, como %U.R., pressão de vapor
entre outros.
Este método de medição possui certos problemas, como a contaminação
do espelho e o possível consumo excessivo de energia pela bomba de calor. Como
solução para a contaminação é comum adotar o uso de filtros de partículas para o ar
e outra técnica utilizada para a limpeza do espelho é o resfriamento do espelho além
do ponto de orvalho causando condensação excessiva e em seguida um rápido
aquecimento do espelho. O Anexo A apresenta as recomendações sugeridas por
(WMO, 2008), para o desenvolvimento e utilização de um higrômetro de ponte de
orvalho.
31
O Quadro 2 mostra a comparação entre os tipos de sensores mais
utilizados.
Quadro 2 - Comparação entre os tipos de sensores
Fonte: Adaptado de SCHNEIDER, 2000.
.
2.5 SENSORES DE UMIDADE BASEADOS EM MEMS
Nas últimas décadas, a miniaturização tem se destacado no
desenvolvimento tecnológico. Um dos principais campos de atuação tem sido a
microeletrônica, onde se destacam os circuitos integrados (CIs). Circuitos integrados
permitem sistemas rápidos, confiáveis, baratos e capazes de incorporar funções
complexas (DUFFY, 1998.). Desde 1970, processos similares ao de fabricação de CIs
tem sido utilizado na fabricação de sensores, permitindo a redução do tamanho e o
consumo de potência destes sensores facilitando sua portabilidade (VICKERS et al.,
2006). A produção em alta escala de sensores microeletrônicos tem ótima relação
custo benefício (LEBERGHE, 2000).
A tecnologia microeletrônica está suficientemente desenvolvida ao ponto
de gerar desmembramentos no campo dos sistemas micro-eletro-mecânicos (MEMS)
que envolvem materiais além do silício, (COSTA JUNIOR, 2011, p.16).
32
Capacitores MEMS com dielétricos de poliamida são amplamente utilizados
como sensores de umidade, proporcionando alta sensibilidade, linearidade e baixo
consumo de potência. Contudo, os sensores de umidade capacitivos apresentam
baixo tempo de resposta e baixa estabilidade principalmente quando exposto a
contaminantes. E ainda, estes sensores são vulneráveis a condensação na superfície
do dielétrico higroscópico (ANDERSON, 2000) e apresentam um tempo de vida
relativamente curto.
2.6 CÁLCULO DA UR A PARTIR DA TEMPERATURA DE PONTO DE ORVALHO
Os métodos mais comuns para a determinação da umidade relativa do ar
por meio das temperaturas de ponto de orvalho e do ambiente são, utilizando gráficos
de temperatura por pressão ou por meio de cálculos.
2.6.1 Utilizando gráficos de temperatura por pressão
Uma maneira simples de se calcular a UR a partir das temperaturas de
ponto de orvalho e do ambiente é utilizando gráficos de temperatura por pressão de
vapor. Após determinada a temperatura do ponto de orvalho traça-se uma reta vertical
ao valor correspondente até a intersecção com a curva do gráfico, em seguida traça-
se uma reta horizontal determinando a Pv = 28 mBar, (Figura 7), o mesmo se faz para
a temperatura do gás para determinar a Pvs = 51 mBar (Figura 8). Em seguida se
substitui os valores encontrados na equação 3:
UR = 100𝑃𝑣𝑃𝑣𝑠
Substituindo na formula temos:
UR = 10028
51
UR = 54.9%
33
Figura 7 - Gráfico temperatura por pressão
Fonte: Adaptado de UFRGS (2014).
34
Figura 8 - Gráfico temperatura por pressão
Fonte: Adaptado de UFRGS (2014).
2.6.2 Formula Magnus
Segundo (EQUATIONS FOR THE DETERMINATION OF HUMUDITY
FROM DEWPOINT AND PSYCHROMETRIC DATA, 1977, p.6) usando a formula
Magnus (Equação 4) como base, se pode determinar uma equação simplificada para
o calcula da Pvs do ar (Equação 5):
𝑙𝑜𝑔 𝑃𝑣𝑠 = 𝑎 ∗ 𝑙𝑜𝑔𝑇+𝑏
𝑇+𝑐 (4)
35
𝑃𝑣𝑠 = 10{𝑐+[
𝑏
(𝑇𝑒+𝑑)]}∗ (𝑇𝑒 + 𝑑)𝑎 (5)
Devido a definição do ponto de orvalho a Pv é uma função direta de Pvs e pode
ser calculada substituindo Te por Ta como mostra a Equação 6.
𝑃𝑣 = 10{𝑐+[
𝑏
(𝑇𝑒+𝑑)]}∗ (𝑇𝑒 + 𝑑)𝑎 (6)
A expressão geral para cálculo da umidade relativa em função da
temperatura de ponto de orvalho e da temperatura do gás é obtida substituindo as
Equações 5 e 6 na Equação 3, obtendo-se a Equação 7 que retorna à umidade relativa
do ar em função da temperatura do gás e da temperatura de ponto de orvalho.
𝑈𝑅 = 100 ∗ [𝑇𝑒+𝑑
𝑇𝑎+𝑑]𝑎 ∗ 10𝑏[(𝑇𝑒+𝑑)
−1−(𝑇𝑎+𝑑)−1] (7)
Onde:
a = - 4,9283
b = - 2937,4
c = 23,5518
d = 273
Ta = Temperatura do gás (°C)
Te = Temperatura de ponto de orvalho (°C)
36
3 MATERIAIS E MÉTODOS
O higrômetro de ponto de orvalho com pastilhas Peltier proposto no
presente trabalho trata-se de um modelo clássico, já bem estudado o qual sua patente
já expirada (Anexo B) data de dezembro de 1963 por George A. Dulk e Emmett J.
Pybus.
O sensor utiliza pastilhas Peltier como unidade de resfriamento, na qual foi
adicionado um dissipador juntamente com um cooler na face quente, para melhorar a
troca de calor com o ambiente. Na face fria da pastilha foi alocado um espelho que
serve como elemento sensor do aparato, que quando resfriado torna evidente a
condensação do vapor d’água presente no ar, ao atingir a temperatura de ponto de
orvalho.
Foi posicionado um fotoemissor de modo que sua luz seja redirecionada
pelo espelho para um fotoresistor, assim quando houver condensação do vapor
d’água presente no ar sobre o espelho haverá uma variação da luz recebida pelo
fotoresistor, podendo-se detectar a condensação. A Figura 9 mostra o projeto
conceitual do aparato.
Figura 9 - Modelo do higrômetro
Fonte: Elaboração própria.
37
3.1 ESQUEMA DE LIGAÇÕES
O planejamento dos circuitos eletro-eletrônicas foi realizado no software
Proteus como mostrada na Figura 10 que está detalhado de acordo com cada
componente.
Figura 10 – Esquemático de ligações eletro eletrônicas
Fonte: Elaboração própria.
3.2 MATERIAIS UTILIZADOS
Para o desenvolvimento do sensor de umidade relativa do ar utilizou-se os
seguintes materiais.
3.2.1 Pastilha Peltier
O resfriamento do elemento refletor realizou-se utilizando como bomba de
calor, pastilhas Peltier TEC1-12706, cujas características estão descritas no Quadro
3. Inicialmente foram feitos testes utilizando uma pastilha, porém constatou-se que em
baixos níveis de umidade relativa do ar não era possível atingir a temperatura de
38
saturação dentro do tempo previsto, para solucionar este problema optou-se por
utilizar-se duas pastilhas em série, como mostra a Figura 11, aumentando a eficiência
térmica do sistema:
Figura 11 - Ligação em serie pastilhas Peltier
Fonte: Elaboração própria.
Quadro 3 - Características Pastilha Peltier.
Modelo TEC1-12706
Faixa de temperatura -30 a 70 °C
Tensão de operação 0 a 15,2VDC
Corrente de operação 0 a 6A
Potência máxima 60W
Dimensões 40 x 40 x 5mm
Fonte: Elaboração própria.
Estes módulos são compostos por placas cerâmicas “recheadas” com
pequenos cubos de Bi2Te3 (telureno de bismuto).
Seu princípio de funcionamento é baseado no efeito Peltier (também
conhecido como força eletromotriz de Peltier), que é a produção de um gradiente de
temperatura na junção de dois materiais condutores (ou semicondutores) de materiais
diferentes quando aplicada uma tensão elétrica em um circuito fechado.
Cada pastilha é constituída de duas chapas formadas por uma cerâmica
especial - que tem como principais características, ser isolante elétrica e condutora
39
térmica -, com uma malha de material condutor na superfície interna de cada chapa.
Entre as duas malhas de condutores, estão localizados diversos pares de
semicondutores de tipo "n" e "p", que dão início ao efeito Peltier, transformando
energia elétrica, em energia térmica e, graças ao posicionamento e ordenação dos
pares, absorvendo calor em uma chapa e dissipando calor em outra (Figura 12).
Figura 12 - Construção pastilha Peltier
Fonte: Adaptado de VASCONCELOS (2017).
3.2.2 Dissipador
Para realizar a dissipação de calor do lado quente da pastilha, utilizou-se
um dissipador de alumínio com 90x67x35mm com 17 aletas como mostra a Figura 13.
Figura 13 - Dissipador
Fonte: Elaboração própria.
40
Segundo o catalogo de dissipadores do fabricante HS a resistência térmica
do dissipador utilizado é de 1,65 °C/W
3.2.3 Cooler
Para auxiliar a dissipação do calor gerado pelo lado quente da pastilha
Peltier adicionou-se um cooler 12V com 80x80mm (Figura 14) ao dissipador forçando
a passagem de ar pelo mesmo. E reduzindo a resistência térmica do sistema de
dissipação para 0,6°C/W.
Figura 14 - Cooler.
Fonte: Adaptado de ADDA.
A de ligação elétrica do cooler.
Figura 15 mostra a o esquema de ligação elétrica do cooler.
Figura 15 – Ligação elétrica cooler
Fonte: Elaboração própria.
41
3.2.4. Elemento refletor
Inicialmente como elemento refletor foi empregado um espelho, porem com
testes preliminares notou-se a dificuldade de resfriar a parte de vidro do espelho assim
como a pouca variação de sua refletância com o início da condensação. Assim optou-
se por utilizar uma chapa de inox com 45x20x1mm (Figura 16), devido à sua melhor
condutibilidade térmica e sua resistência a corrosão, já que durante os processos de
medição há deposito de agua sobre este elemento, que foi polido para melhorar sua
refletância.
Figura 16 – Chapa de inox
Fonte: Elaboração própria.
3.2.5 Arduino
Para a aquisição dos sinais dos sensores, o controle de temperatura do
elemento refletor e a comunicação com o sistema supervisório foi utilizado uma placa
de prototipagem do tipo Arduino, modelo UNO (Figura 17).
Figura 17 - Arduino uno
42
Fonte: Adaptado de Arduino.
Esta placa possui hardware livre, projetada com um microcontrolador Atmel
AVR com suporte de entrada/saída embutido, cujas características estão detalhadas
no Quadro 4 utiliza uma linguagem de programação padrão, a qual tem origem em
Wiring, e é essencialmente C/C++. Com o objetivo de criar ferramentas que são
acessíveis, com baixo custo, flexíveis e fáceis de usar tanto por amadores quanto por
profissionais.
Quadro 4 – Características Arduino Uno
Modelo Arduino UNO
Comunicação Serial / SPI / I2C
Pinos digitais 14 e 6 podem suportam PWM
Entradas analogias 6
Corrente contínua por pino de I/O 40 mA
Memória Flash 32 KB (ATmega328) dos quais 0.5 KB
são usados pelo bootloader
Memória SRAM 2 KB (ATmega328)
EEPROM 1 KB (ATmega328)
Velocidade do Clock
16 MHz
Fonte: Elaboração própria.
43
3.2.6 L298
Pelo fato do Arduino trabalhar apenas com tensões de até 5V com
correntes de até 40mA e a pastilha Peltier pode utilizar tensões de até 14V e correntes
de até 6A foi necessário a utilização de um dispositivo para fazer interface entre o
sistema de controle e o sistema de potência.
O dispositivo utilizado foi um driver com ponte H L298 (Figura 18) que
permite fazer o controle da tensão aplicada nas placas por meio do PWM (pulse width
modulation – modulação de largura de pulso) e inversão de sentido.
44
Figura 18 – Driver com L298
Fonte: Elaboração própria.
Esta placa já estava disponível na instituição e possui as características
descritas no Quadro 5:
Quadro 5 - Características do Driver L298
Modelo L298
Tensão de operação 4 a 35V
Corrente de operação 2A por canal ou 4A máximo
Tensão logica 5V
Corrente logica 0 a 36mA
Limites de temperatura -20 a 135°C
Fonte: Elaboração própria.
Para alimentação do driver foi utilizada uma fonte chaveada de 12V e 5A.
Para o acionamento do driver L298 foram necessários três sinais, EN que habilita o
driver, nesta entrada colocou-se o sinal de PWM (pino 5 do Arduino) para chavear a
saída do driver, IN 1 e IN 2 (pino 6 e 7 do Arduino respectivamente) os quais quando
alterados seu estado logico é possível variar a direção da corrente na saída conforme
Quadro 6 alterando assim o sentido do fluxo de calor nas pastilhas Peltier.
Quadro 6 - Saídas do driver L298 de acordo com IN1 e IN2
IN1 IN 2 Saída
0 0 Sem corrente na saída
0 1 Aquece o elemento refletivo
1 0 Resfria o elemento refletivo
1 1 Sem corrente na saída
Fonte: Elaboração própria.
45
Para suprir a necessidade de corrente exigida pelas placas Peltier ligou-se
as duas saídas do L298 em paralelo ligando o pino OUT1 ao OUT4 e o pino OUT2 ao
OUT3, para utilização do driver com as saídas em paralelo também foi necessário
fazer a ligação em paralelo das entradas do driver, ligando o pino EN A ao EN B, o
pino IN1 ao IN4 e o pino IN2 ao IN3 como mostra a Figura 19.
Figura 19 - Ligações do driver L298
Fonte: Elaboração própria.
3.2.7 Sensores de temperatura
Para a medição da temperatura do elemento refletor utilizou-se um sensor
de temperatura do tipo termorresitencia de platina (PT-100), que a 0°C possui 100Ω e
sua resistência varia de acordo com a temperatura conforme o Quadro 7. O PT-100 é
utilizado há muitos anos para medir temperatura em processos industriais e
laboratoriais, e possui uma reputação de precisão, repetibilidade e estabilidade.
Para melhorar a tempo de resposta do sensor retirou-se o encapsulamento
do mesmo que foi colocado diretamente em contato com o elemento refletivo.
Quadro 7 - Relação resistência temperatura PT100
46
Fonte: Adaptado de ECIL.
Para obter esta precisão e exatidão do PT-100, deve-se utilizar um
amplificador que leia baixas resistências e que possa ajustar e compensar
automaticamente a resistência dos fios de conexão. Assim optou-se por utilizar como
amplificador de sinal a placa Max31856. A Figura 20 mostra as ligações entre o PT-
100 e a placa Max31856.
Figura 20 - Ligação Pt-100 a três fios
Fonte: Elaboração própria.
Para medição da temperatura do gás utilizou-se a informação de
temperatura disponível no sensor de umidade DHT 22 utilizado para a comparação
da umidade.
3.2.8 Placa Max31865
Desenvolvida pela empresa Adafruit a placa Max31856 cujas
características estão descritas no Quadro 8, utiliza um microprocessador Max31856,
desenvolvido especialmente para a leitura de termoresistencias de platina, utilizando
uma resistência como referência e um conversor analógico-digital (ADC),
transformando a relação entre a resistência do PT100 e a resistência de referência
em um formato digital (Figura 21).
47
Figura 21 – Estrutura funcional CI MAX 31865
Fonte: Datasheet Max 31865.
Quadro 8 - Características amplificador MAX31856.
Modelo Max31856
Termoresistencias suportadas PT100 a PT1000
Modelos de termoresistencias 2, 3 e 4 fios
Interface de comunicação SPI
Resolução ADC 15 bits
Resolução nominal da temperatura 0,03125 ° C*
Tempo de conversão 21 ms (max)
Proteção de entrada ± 45V
* Varia devido à não linearidade da termoresistencia
Fonte: Elaboração própria.
A Figura 22 mostra as ligações feitas entre a placa Max31856 e o Arduino.
48
Figura 22 - Ligação placa MAX31865.
Fonte: Elaboração própria.
3.2.9 LDR
Para a detecção da formação de orvalho sobre a chapa de inox utilizou-se
um LDR (light dependente resistor – resistor dependente de luz), que consiste em um
componente eletrônico passivo, do tipo resistor variável, cuja resistência varia
conforme a intensidade da luz que incide sobre o mesmo.
Em um dos terminais do LDR colocou-se um resistor de pull-up para 5V e
ligou-se a entrada analógica A0 do Arduino e o outro terminal conectou-se ao GND
(Figura 23)
Figura 23 - Ligação LDR.
Fonte: Elaboração própria.
49
3.2.10 Laser
Como elemento sensibilizador para o ldr foi utilizado o led de um laser
pointer alimentado com 5V e posicionado de maneira a incidir sobre a chapa de inox
e refletir sobre o LDR assim quando atingido o ponto de orvalho e iniciada a
condensação a incidência da luz do laser sobre o LDR diminui devido à refração
causada pelas gotículas de agua condessadas sobre a chapa de inox e se percebe a
variação de resistência.
3.2.11 Câmara climática
Com alguns retalhos de acrílico 4mm que estavam disponíveis na
instituição foi confeccionada uma caixa com dimensões internas de 232x292x200mm
totalizando um volume de 13.58l (Figura 24). Para que se pudesse isolar os sensores
e controlar a umidade relativa, possibilitando assim, efetuar medidas em diferentes
níveis de umidade.
Figura 24 – Câmara de acrílico
Fonte: Elaboração própria.
3.2.12 Flanges de fixação
Foram projetados duas flanges, uma para fixação das pastilhas e do
elemento refletor ao dissipador que também possui uma estrutura para o
50
posicionamento dos sensores, LDR e PT-100 além do laser (Figura 25), e outra para
a fixação do cooler (Figura 26).
Figura 25 – A – Modelo flange dos sensores e das pastilhas
Fonte: Elaboração própria.
Figura 26 - A – Modelo flange do cooler
Fonte: Elaboração própria.
51
Para evitar o fluxo térmico do dissipador para o lado frio da pastilha e o
elemento refletor, o material escolhido para desenvolver a flange que suporte dos
sensores necessitava ser isolante térmico. Para isso optou-se pelo PLA pela facilidade
de construção utilizando manufatura aditiva (impressão 3D).
3.3 DESENVOLVIMENTO MECÂNICO
A montagem do aparato para medição de umidade iniciou-se pela
montagem da caixa. Com as peças de acrílico devidamente cortadas com as
dimensões descritas no Quadro 9, posicionou-se uma das laterais e se adicionou
clorofórmio a junta a ser colada com auxílio de uma seringa após o tempo de cura de
1min se repetiu o processo para as demais laterais.
Quadro 9 – Dimensões e quantidades das partes da câmara
Descrição Tamanho Quantidade
Tampa/Base 300x240 2
Laterais maiores 300x200 2
Laterais menores 232x200 2
Fonte: Elaboração própria.
Para a montagem do sensor desenvolvido posicionou-se o dissipador na
abertura lateral da caixa, e então fez-se o posicionamento das pastilhas Peltier com o
lado quente voltado para o dissipador, depositando pasta térmica em cada etapa da
montagem. Após o posicionamento das pastilhas introduziu-se a camada de
isolamento (feita em EVA) que minimiza a troca de calor entre o lado quente e o lado
frio da pastilha, aumentando sua eficiência térmica, e também auxilia na vedação
entre a caixa e o dissipador evitando a troca de calor do interior da caixa com o meio
ambiente.
Em seguida instalou-se a chapa de aço inox polido, utilizada como
elemento refletor, sobre a placa Peltier com o auxílio de pasta térmica. Para fixar as
pastilhas, o elemento refletor e a camada isolante, montou-se a flange de suporte dos
sensores, aparafusando-a ao dissipador com quatro parafusos M5x25. As Figura 27,
28 e 29 ajudam a compreender o processo de montagem.
52
Então prendeu-se o cooler a sua flange, de modo que o sentido do fluxo de
ar coincidisse com a Figura 30, em seguida fixou-se o sensor a caixa com quatro
parafusos M6x90 através da flange de suporte dos sensores.
Figura 27 - Vista superior com explosão dos componentes
Fonte: Elaboração própria.
Figura 28 - Vista lateral com explosão dos componentes
Fonte: Elaboração própria.
53
Figura 29 - Vista isométrica com explosão dos componentes
Fonte: Elaboração própria.
Figura 30 – Fluxo de ar no dissipador
Fonte: Elaboração própria.
3.4 PID DO PONTO DE ORVALHO
Para o controle do nível de condensação sobre o elemento refletor é
necessário controlar a temperatura do mesmo. Para isso utilizou-se a biblioteca PID
do Arduino.
54
3.4.1 Identificação do processo
Para o modelamento do sistema optou-se por utilizar uma aproximação
com um modelo simplificado de primeira ordem (Equação 8). Com frequência estes
modelos simples são suficientes para realizar um primeiro projeto de controle.
𝐺(𝑠) =𝐾𝑒−𝜃𝑠
𝜏𝑠+1 (8)
Primeiramente já com os sensores posicionados ligou-se as pastilhas a
uma fonte de 12V 5A para determinar a curva de resposta do sensor fotoresistor em
função do tempo. Após coletados os dados, criou-se uma tabela no software Excel,
gerou-se o gráfico de resposta do sensor no tempo (Figura 31) e definiu-se uma linha
de tendência para a determinação dos dados utilizados para a modelagem do sistema.
Figura 31 - Resposta do sensor no tempo
Fonte: Elaboração própria
Na literatura de controle de processos existe uma variedade de métodos
baseado na resposta do processo ao degrau para identificação de K, τ e θ. Para o
presente trabalho optou-se por utilizar Ziegler-Nichols, Smith e Sundaresan e
Krishnaswamy
530
540
550
560
570
580
590
600
610
620
630
640
650
660
670
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00 22,00 24,00 26,00 28,00 30,00
Re
spo
sta
do
se
nso
r
Tempo (s)
55
Calculando por Ziegler Nichols (ZN) traça-se uma reta tangente a inclinação
da curva original conforme Figura 32.
Figura 32 – Modelo de identificação de processo por ZN.
Fonte – Adaptado de BOJORGE (2009).
A partir dessa reta obtiveram-se dois pontos importantes t1=16,5s e
t2=21,5s e também pode-se determinar a variação em y Δy=55 já a variação de
energia Δu=12 foi determinada pela tensão aplicada no sistema, para o cálculo de 𝜏
utilizou-se a Equação 9:
𝜏 = 𝑡2 − 𝑡1 (9)
𝜏 = 21,5 − 16,5
𝜏 = 5
Para definição de 𝜃 utilizou-se a Equação 10:
𝜃 = 𝑡1 (10)
𝜃 = 16,5
E para o cálculo do valor de K utilizou-se a Equação 11:
𝐾 =∆𝑌
∆𝑈 (11)
56
𝐾 =55
12
𝐾 = 4,58
Assim obteve-se uma função de transferência para a planta (Equação 12)
utilizando o método de ZN:
𝐺(𝑍𝑁) =4,58𝑒16,5
5𝑠+1 (12)
Utilizando o método de modelagem de Smith (SM), calcula-se a yt1 que equivale a 28,3 % do Δy e yt2 que equivale a 28,3 % do Δy como mostra a Figura 33.
Figura 33 - Modelo de identificação de processo por SM
Fonte – Adaptado de BOJORGE (2009).
Para o cálculo de yt1 utilizou-se a Equação 13:
𝑦𝑡1 = ∆𝑦. 0,283 + 𝑦𝑖 (13)
𝑦𝑡1 = 55.0,283 + 550
𝑦𝑡1 = 565,56
E para a definição de yt2 utilizou-se a Equação 14:
𝑦𝑡2 = ∆𝑦. 0,632 + 𝑦𝑖 (14)
𝑦𝑡2 = 55.0,632 + 550
57
𝑦𝑡2 = 584,76
Após calculados os valores de yt1 e yt2 encontrou-se os valores de t1 =
18,25s e t2 =20,1s a partir do gráfico da Figura 31. Com estes valores foi possível
calcular o valor de 𝜏 usando a Equação 15:
𝜏 = 1,5(𝑡2 − 𝑡1) (15)
𝜏 = 1,5(20,1 − 18,25)
𝜏 = 2,77
Com o valor de 𝜏 e t2 calculou-se o valor de 𝜃 aplicando a Equação 16:
𝜃 = 𝑡2 − 𝜏 (16)
𝜃 = 20,1 − 2,77
𝜃 = 17,33
E para o valor de K utilizou-se o calculado na Equação 11.
𝐾 = 4,58
Assim obteve-se a função de transferência para a planta (Equação 17)
pelo método de SM:
𝐺(𝑆𝑀) =4,58𝑒17,33
2,77𝑠+1 (17)
Para o cálculo por Sundaresan e Krishnaswamy (SK), calcula-se a yt1 que
equivale a 35,3 % do Δy e yt2 que equivale a 85,3% do Δy como mostra a Figura 34.
58
Figura 34 - Modelo de identificação de processo por SK
Fonte:
Para o cálculo de yt1 utilizou-se a Equação 18:
𝑦𝑡1 = ∆𝑦. 0,353 + 𝑦𝑖 (18)
𝑦𝑡1 = 55.0,353 + 550
𝑦𝑡1 = 569,41
E para a definição de yt2 utilizou-se a Equação 19:
𝑦𝑡2 = ∆𝑦. 0,853 + 𝑦𝑖 (19)
𝑦𝑡2 = 55.0,853 + 550
𝑦𝑡2 = 596,91
Após calculados os valores de yt1 e yt2 encontrou-se os valores de t1 = 19,0s
e t2 =20,7s no gráfico da Figura 31 e calculou-se o valor de 𝜏 aplicando a Equação 20:
𝜏 = 0,67(𝑡2 − 𝑡1) (20)
𝜏 = 0,67(20,7 − 19)
𝜏 = 1,14
E também o valor de 𝜃 utilizando a Equação 21.
59
𝜃 = 1,3𝑡1 − 0,29𝑡2 (21)
𝜃 = 1,3.19 − 0,29.20,7
𝜃 = 18,7
E para o valor de K utilizou-se o calculado na Equação 11.
𝐾 = 4,58
Assim obteve-se a função de transferência para a planta pelo método de
SK Equação 22:
𝐺(𝑆𝐾) =4,58𝑒18,7
1,14𝑠+1 (22)
Após a definição matemáticas dos modelos colocou-se todos em um único
gráfico (Figura 35) para analisar o que mais se assemelha a curva original.
Figura 35 – Analize dos modelamentos
Fonte: Elaboração própria.
Analisando o gráfico da Figura 35 optou-se por utilizar a função de
transferência obtida pelo método de Smith para os cálculos de controle da planta, pois
esta possui uma curva de resposta mais próxima a do aparato.
60
Optou-se por utilizar o modelo de Smith simplificado. Com base nestes
dados foi realizada a análise de malha aberta da planta. E encontrou-se os seguintes
dados.
Polo = - 0,36
Tempo de acomodação (Ta) = 11,1s
Tempo de subida (Ts) = 6,1s
Para controlador decidiu-se utilizar um proporcional integrativo (PI)
(Equação 23).
𝐺(𝑆𝑀) =4,58
2,77𝑠 + 1
𝐶(𝑠) =𝐾𝑝𝑠+𝐾𝑖
𝑠 (23)
Aplicando o controlador (Equação 23) a função de transferência (Equação
17) e assim obteve-se a função de transferência da planta com controlador (Equação
24):
𝐺(𝑆𝑀𝑐) =4,58𝐾𝑝𝑠+4,58𝐾𝑖
2,77𝑠2+𝑠 (24)
Para fechar a malha utilizou-se a Equação 25:
𝐺(𝑓𝑠) =𝐺(𝑆𝑀𝑐)
𝐺(𝑆𝑀𝑐)+1 (25)
Assim obteve-se a função de transferência para o controle de malha
fechada (Equação 26).
𝐺(𝑠) =4,58𝑘𝑝𝑠+4,58𝐾𝑖
2,77𝑠2+(1+4,58𝐾𝑝)𝑠+4,58𝐾𝑖 (26)
Como parâmetro para calcular os ganhos de kp e ki determinou-se o tempo
de acomodação igual a 15s que resulta em um polo dominante em -0,26 e para o outro
61
polo escolheu-se o valor de -10. Assim encontrou-se Kp=6,2 e Ki=1,4 que quando
aplicado a planta gerou a resposta mostrada no gráfico da Figura 36.
Figura 36 – Gráfico de resposta com Kp=6,2 e Ki=1,4
Fonte: Elaboração própria.
Porem para estes valores a planta não estabilizou, pois, o zero da função
de transferência fica em 0,22 e anula o polo que deveria ser o dominante.
3.5 AQUISIÇÃO UMIDADE DE COMPARAÇÃO
Para fim de comparação das medidas realizadas pelo sensor desenvolvido
utilizou-se um sensor de umidade comercial DHT 22, que possui precisão de + 2% na
leitura da umidade relativa e de + 0,5°C e demais características descritas no Quadro
10.
62
Quadro 10 - Caracteristicas do sensor de umidade
Modelo DHT22
Tensão de operação 3,3 a 6 V DC
Sinal de saída Sinal digital single-bus
Elemento sensor Capacitor polímero
Faixa de operação Umidade 0 a 100%UR Temperatura -40 a 80°C
Precisão Umidade + 2%UR Temperatura < + 0,5°C
Resolução Umidade 0,1%UR Temperatura 0,1°C
Repetibilidade Umidade + 1%UR Temperatura + 0,2°C
Umidade histerese + 0,3%UR
Dimensões 14x18x5,5mm
Fonte: Elaboração prórpia
3.6 PROGRAMAÇÃO
A código utilizado no Arduino (Apêndice A) foi realizado utilizando como
base o fluxograma (Apêndice B). Para isto foram utilizadas as seguintes bibliotecas.
PID_V1 utilizada para controla o driver de acionamento das pastilhas, esta
biblioteca é definida com a seguinte função.
PID myPID(&Input, &Output, &Setpoint,100,5,0,DIRECT);
INPUT variável controlada, que está sendo lida pelo sensor neste caso a
reflexibilidade da chapa de inox.
OUTPUT variável controlada, a saída do controlador neste caso a largura
de pulso do PWM
SETPOINT valor que a variável controlada deve atingir,
KP ganho proporcional do controlador calculado
KI ganho integrativo do controlador calculado
KD ganho derivativo do controlador calculado
DHT_U esta biblioteca é utilizada para a leitura do sensor de umidade
DHT22 definida pela seguinte função.
63
DHT dht(2, DHT22);
Dois (2) é o pino do Arduino utilizado para a leitura do sensor e DHT22 é o
modelo do sensor utilizado pois esta biblioteca pode ser utilizada para ler outros
modelos de sensores de umidade como o DHT11.
Adafruit_MAX31865 esta biblioteca foi utilizada para a leitura da placa
MAX31865 que faz a leitura do PT100 e é definida pela função.
Adafruit_MAX31865 max = Adafruit_MAX31865 (10, 11, 12, 13);
Os parâmetros 10, 11, 12, 13 define os pinos que serão utilizados para a
comunicação entre o Arduino e a placa MAX 31865. São eles CS, SDI, SDO e CLK
respectivamente.
Também é necessário utilizar #define RREF 430.0 para indicar que o
sensor que está ligado a placa é o PT100, pois esta mesma placa pode ser utilizada
para a leitura de um PT1000.
3.7 DESENVOLVIMENTO DA INTERFACE
Devido aos problemas em ajustar o PID não foi possível implementar o
sistema supervisório em labview. Para a aquisição dos dados foi utilizado o plxdaq,
uma planilha que recebe os dados vindos do Arduino via serial.
Esta planilha possui uma interface onde se define a porta COM que dever
ser monitorada, o Baud Rate e um botão para ativar a conexão, após conectado
imprime os valores mandados pela serial, em uma planilha do Excel como em um
banco de dados.
Manipulando os valores do banco de dados criou-se uma interface (Figura
37) para o aparato desenvolvido, onde mostra-se as médias dos valores medidos seus
desvios padrões e as precisões dos sensores utilizados, dois gráficos um com a
temperatura do ambiente e a temperatura do elemento refletivo e outro com o setpoint
e o valor da entrada do controlador.
64
Figura 37 – Interface do usuário
Fonte: Elaboração própria.
65
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 AJUSTE PID
Após a tentativa de encontrar valores para kp, ki pelo método matemático
optou-se por utilizar o método “guess and check” (“adivinhar e checar”).
Neste método, os termos Ki e Kd são definidos como zero e o ganho
proporcional é aumentado até que a saída comece a oscilar. Quando se aumenta o
ganho proporcional, o sistema torna-se mais rápido, mas deve-se tomar cuidado para
não o tornar instável.
Para a primeira tentativa de ajuste escolheu-se Kp=3 e obteve-se o gráfico
de resposta da Figura 38.
Figura 38 – Resposta da planta para Kp=3
Fonte: Elaboração própria.
Com o valor de Kp=3 não se atingiu o valor de setpoint, então escolheu-se um novo
valor de kp, e para esta tentativa o valor de kp foi definido como 5 e obtendo-se a
resposta mostrada no gráfico da Figura 39.
66
Figura 39 – Resposta da planta para Kp=5
Fonte: Elaboração própria.
Após definir o Kp=5 para obter uma resposta com um tempo de subida
aceitável, o termo integral foi aumentado a fim de diminuir as oscilações. O termo
integral reduz o erro de estado estacionário, mas aumenta o overshoot. Um certo valor
de overshoot é sempre necessário para um sistema rápido de modo que possa
responder às mudanças imediatamente.
Para a primeira tentativa escolheu-se os valores de kp=5 e ki=5 gerando a
resposta mostrada na Figura 40.
67
Figura 40 – Resposta da planta para Kp=5 e Ki=5
Fonte: Elaboração própria.
Com os valores de kp=5 e Ki=5 não se conseguiu uma saída desejada
então escolheu-se os valores para a segunda tentativa kp=5 ki=10 que resultou na
resposta que mostra o gráfico da Figura 41.
Figura 41 – Resposta da planta para Kp=5 e Ki=10
Fonte: Elaboração própria.
68
Uma vez que Kp e Ki foram definidos para que o sistema de controle seja
rápido, o termo derivativo é aumentado até que o loop seja aceitavelmente rápido em
relação ao seu ponto de referência. Aumentar o termo da derivada diminui o
overshoot, aumentando o ganho, mantendo a estabilidade e ainda fazendo com que
o sistema seja altamente sensível ao ruído.
Como primeira tentativa para definição de Kd escolheu-se os seguintes
parâmetros kp=5, ki=10 e kd=10 e obteve-se a resposta apresentada no gráfico da
Figura 42
Figura 42 – Resposta da planta para Kp=5, Ki=10 e Kd=10
Fonte: Elaboração própria.
Para melhorar a estabilidade do sistema realizou-se outra tentativa de com
os valores de Kp=5, Ki=10 e Kd=16 gerando a resposta apresentada no gráfico da
Figura 43.
69
Figura 43 – Resposta da planta para Kp=5, Ki=10 e Kd=16
Fonte: Elaboração própria.
Aplicando os novos valores de kp ki e kd obteve-se a curva de resposta
para a planta mostrada na Figura 44.
Figura 44 – Controle aplicado a planta
Fonte: Elaboração própria.
70
Para esta curva de resposta com o PID aplicado obteve-se a curva de
temperatura mostrada na Figura 45.
Figura 45 – Gráfico de temperaturas com controle aplicado
Fonte: Elaboração própria. Troca figura
4.2 CÁLCULO DA UMIDADE
Conforme citado anteriormente para o cálculo da umidade relativa do ar a
partir do ponto de orvalho utiliza-se a Equação 7.
𝑈𝑅 = 100 ∗ [𝑇𝑒 + 𝑑
𝑇𝑎 + 𝑑]𝑎 ∗ 10𝑏[(𝑇𝑒+𝑑)
−1−(𝑇𝑎+𝑑)−1]
Esta equação foi inserida na programação do Arduino e é realizada quando
a temperatura do elemento refletor se encontra estável, por um período de 60
segundos e o valor mostrado como resultado na interface gráfica é a média dessas
medições deste período.
4.2.1 Combinação de incertezas
Combinação de incerteza é uma forma de verificar a confiabilidade dos
dados de uma certa medida, quando esta é submetida a diferentes operações
71
matemáticas. Ela define como as incertezas das variáveis estão relacionadas e fornece
a melhor estimativa para aquele conjunto de dados.
A medição da umidade relativa do ar realizada neste aparato utiliza um
método indireto de mediação, utilizando duas medidas de temperatura, assim a
incerteza da U.R. depende diretamente das incertezas das temperaturas medidas. A
incerteza da U.R. calculada é dada pela fórmula de propagação de incertezas,
enunciada da seguinte maneira (Equação 27)
𝜎𝑈𝑅2 = (
𝜕𝑈𝑅
𝜕𝑇𝑒)2𝜎𝑇𝑒
2 + (𝜕𝑈𝑅
𝜕𝑇𝑎)2𝜎𝑇𝑎
2 (27)
Onde:
σUR = Incerteza da medição
Te = Temperatura de ponto de orvalho (°C)
σTe = Incerteza do PT100 (°C)
Ta = Temperatura do gás (°C)
σTa = Incerteza do DHT22 (°C)
Como valor de incerteza do termômetro usado para a leitura da temperatura
do ar (σTa), foi considerado o valor de incerteza para temperatura descrito no
datashhet do sensor DHT22 (+ 0,5°C) pois o mesmo não possui certificado de
calibração. E como incerteza do termômetro usado para a leitura da temperatura de
ponto de orvalho (σTe) foi utilizado o valor informado no datasheet do PT100 (+ 0,1°C).
Para o cálculo desta incerteza foi utilizado software de cálculos Mathcad, o
qual o código com os cálculos segue no Apêndice C.
O valor da incerteza para a umidade calculada é dependente dos valores
das temperaturas por isso para cada medição foi calculada a incerteza e adicionada
ao quadro de medidas.
72
4.3 TESTES
Foram realizadas três series de medições cada uma com dez medições,
cada medição tem a duração de dois minutos, como pode-se analisar no gráfico da
Figura 45 o período de pré-aquecimento dura em média 10s e o tempo para
estabilização é de 40s em média, os cálculos de U.R. iniciam-se após os 60s e são
realizados durante os 60s finais da medição onde o sistema se encontra estável. A
primeira série de medições foi realizada com a câmara aberta (Quadro 11).
Quadro 11 - Primeira série de medições
Fonte: Elaboração própria.
Analisando os dados do Quadro 11 percebeu-se que o sensor desenvolvido
quando sob influência de perturbações externas possui uma incerteza de 2,1%U.R.
para a faixa de umidade relativa de 60% a 70% para uma temperatura ambiente de
16°C. Para esta faixa de medição encontrou-se um erro médio de -1,2%U.R. com
desvio padrão de + 0,32%U.R. como mostra o gráfico da Figura 46.
Figura 46 – Medidas realizadas com a câmara aberta
73
Fonte: Elaboração própria.
A segunda série de medições foi realizada com a câmara fechada (Quadro
12).
Quadro 12 - Segunda série de medições
Fonte: Elaboração própria.
Analisando os dados do Quadro 12 percebeu-se que ao se restringir as
perturbações da atmosfera externa o sensor desenvolvido possui uma incerteza de
1,55%U.R. para a faixa de umidade relativa de 48% a 53% para uma temperatura
ambiente de 22°C. Para esta faixa de medição encontrou-se um erro médio de -
0,74%U.R. com desvio padrão de + 0,38%U.R. como mostra o gráfico da Figura 47.
74
Figura 47 – Medidas realizadas com a câmara fechada
Fonte: Elaboração própria.
A terceira série de medições foi realizada com a câmara fechada e coberta
para avaliar a influência da luminosidade do ambiente (Quadro 13).
Quadro 13 - Terceira série de medições
Fonte: Elaboração própria.
Analisando os dados do Quadro 13 percebeu-se que ao se restringir as
perturbações da atmosfera externa e também, as variações de luminosidade externas
o sensor desenvolvido possui uma incerteza de 1,63%U.R. para umidade relativa de
52% em uma temperatura ambiente de 22°C. Para esta faixa de medição encontrou-
se um erro médio de -0,62%U.R. com desvio padrão de + 0,37%U.R. como mostra o
gráfico da Figura 48.
75
Figura 48 - Medidas realizadas com a câmara fechada e coberta
Fonte: Elaboração própria.
76
5 CONCLUSÃO E SUGESTÕES PARA PROJETOS FUTUROS
Foi verificado que a metodologia estudada, pode ser empregada na
medição de umidade relativa do ar, como comprovado nos ensaios tanto com a
câmara coberta quanto com a câmara exposta à iluminação do ambiente. A utilização
de poucos componentes comuns, juntamente com o projeto simplificado do dispositivo
e a interface gráfica desenvolvida, torna a metodologia possível de ser reproduzida, e
com fácil operação para os usuários.
A comparação entre os ensaios apontou um erro médio de medição menor
para os ensaios sem perturbações do ambiente (câmara fechada), e um desvio padrão
constante, para utilização com proteção contra luminosidade do ambiente. Dessa
forma a medição com a câmara fechada e coberta, apresenta-se como uma
metodologia mais confiável a ser explorada em trabalhos futuros, pela boa
estabilidade de medição do sistema, como solução para cobertura da câmara
aconselha-se a aplicação de adesivo preto em toda a área externa da câmara.
O Quadro 14 mostra o levantamento de custos dos materiais utilizados para
desenvolver o aparato.
Quadro 14 – Levantamento de custos
Fonte: Elaboração própria.
77
A Quadro 15 mostra o comparativo de preço do aparato desenvolvido com
higrômetros comerciais.
Quadro 15 – Comparação de preços de sensores de umidade
Fonte: Elaboração própria.
Durante os testes verificou-se que a utilização continua diminui a
intensidade da luminosidade do laser utilizado, como mostra a Figura 49 que compara
as medidas realizadas no início da construção do aparato e as realizadas durante os
testes finais.
Figura 49 - Comparação laser
Fonte: Elaboração própria.
Outra dificuldade encontra da na utilização de um laser convencional foi o
tempo de estabilização, após ligado o mesmo leva em torno de 60 segundos para
atingir uma luminosidade estável como mostra a Figura 50, uma sugestão para
minimizar este efeito nas medições de umidade seria adicionar outro conjunto laser e
LDR para que possa ser utilizado como referência.
Figura 50 - Estabilização do laser
78
Fonte: Elaboração própria.
Constatou-se que a utilização de um LDR para a leitura da luminosidade
refletida pela chapa de inox, utilizando um divisor de tensão e ligado à entrada
analógica não ofereceu uma variação considerável da tensão lida, dificultando o ajuste
do controlador PID devido sua baixa sensibilidade. Este problema pode ser resolvido
utilizando uma Ponte de Wheatstone (Figura 51) que amplificara a variação de tensão
percebida pela entrada analógica do Arduino.
79
Figura 51 - Ponte de Wheatstone
Fonte: Adaptado de wikiwand
Outra solução possível para o sistema óptico seria substituir o laser por um
LED de alto brilho e o LDR por um fotodiodo, lembrando da necessidade de verificar
o nível de variação deste sistema a condensação sobre o elemento refletivo.
Estas alterações devem diminuir o erro sistemático do sensor, como
solução para diminuir a incerteza das medições recomenda-se a utilização de
sensores de temperatura PT100 com incerteza de 0,1°C tanto para a temperatura do
gás quanto para a temperatura de ponto de orvalho, que possuam certificado de
calibração.
Para a calibração da câmara recomenda-se a utilização de um sensor de
umidade relativa que possua certificado de calibração e incerteza menor que 2% U.R.
Para trabalhos futuros sugere-se o desenvolvimento de uma interface
gráfica utilizando o software Labview, a implementação se um sistema que permita a
alteração do nível de umidade da câmara insuflando ar úmido ou seco para o interior
da câmara e um dispositivo que possibilite o acoplamento de diferentes sensores de
umidade relativa que serão calibrados.
80
REFERENCIAS
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Do Rio Grande Do Sul Faculdade De Engenharia, 2017. 68 p.
VICKERS, J. A.; CAULUM, M. M.; HENREY, C. S. Generation of hydrophilic
poly(dimethylsiloxane) for high-performance microchip
electrophoresis.Colorado: Colorado State University 2006.
WORLD METEOROLOGICAL ORGANIZATION. Guide to meteorological
instruments and methods of observation. Genebra, 2008.
83
APÊNDICE A – PROGRAMAÇÃO DO MICROCONTROLADOR
84
#include <PID_v1.h>
#include <DHT.h>
#include <DHT_U.h>
#define DHTPIN 2
#define DHTTYPE DHT22
#include <Adafruit_MAX31865.h>
Adafruit_MAX31865 max = Adafruit_MAX31865(10, 11, 12, 13);
#define RREF 430.0
#define RNOMINAL 100.0
//variaveis que definen entradas e saidas do sistema de controle.
double Setpoint, Input, Output;
// variaveis para definição dos ganhos do sistema de controle.
double KP=10, KI=0, KD=0;
//variaveis para temperatura.
float TEMPESP, TEMPAMB;
// variaves para calculo da umidade.
float var1, var2, var3,var4, UMI;
//variaveis para correção dos sensores de temperatura.
float correcaopt100=.5, correcaotdh=0.6;
unsigned long TIME;
// variavel para sinalizar loop ativo.
int flag;
//variavel pra inicio do ciclo de medição.
int botao;
85
PID myPID(&Input, &Output, &Setpoint,KP,KI,KD,DIRECT);
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
void setup(){
// define velocidade da comunicação serial.
Serial.begin(115200);
max.begin(MAX31865_4WIRE);
// define pino 3 como entrada e liga pull up.
pinMode(3, INPUT);
digitalWrite(3,HIGH);
//defini pinos 6 e 7 como saida.
pinMode(6, OUTPUT);
pinMode(7, OUTPUT);
flag=0;
myPID.SetMode(AUTOMATIC);
dht.begin();
// imprime cabeçalho no banco de dados.
Serial.println("LABEL,HORA,Tempo,Setpoint,Input,Output,Temperatura do espelho,Tempetarura
ambiente,Umidade Ref,Umidade Calculada ");
}
void loop(){
Input = analogRead(0);
botao = Serial.read();
uint16_t rtd = max.readRTD();
// verifica comando de inicio de medição.
86
if(botao=='1'||digitalRead(3)==1){
//define saidas para pré aquecimento
//Serial.println("AQUECENDO");
digitalWrite(6,HIGH);
digitalWrite(7,LOW);
analogWrite(5,255);
float t = (dht.readTemperature()-correcaotdh);
uint16_t rtd = max.readRTD();
TEMPESP = (max.temperature(RNOMINAL, RREF)-correcaopt100);
// verifica se o espelho atingio a temperatura desejada.
if (TEMPESP >= t){
// define saidas para resfriamento.
//Serial.println("ENTROU");
digitalWrite(6,LOW);
digitalWrite(7,HIGH);
delay(200);
// define valor de setpoint.
Input = analogRead(0);
Setpoint=1.15*Input;
uint16_t rtd = max.readRTD();
unsigned long currentMillis=millis();
while(flag==0){
float h = dht.readHumidity();
float t = (dht.readTemperature()-correcaotdh);
uint16_t rtd = max.readRTD();
Input = analogRead(0);
TEMPESP = (max.temperature(RNOMINAL, RREF)-correcaopt100);
TEMPAMB= t;
87
myPID.Compute();
analogWrite(5,Output);
TIME = millis()-currentMillis;
//verifica se atingio o valor de setpoint
if(Input >= Setpoint){
unsigned long currentMillis=millis();
Serial.println("ESTABILIZOU");
flag = 1;
while(millis()-currentMillis < 200000){
float h = dht.readHumidity();
float t = (dht.readTemperature()-correcaotdh);
uint16_t rtd = max.readRTD();
Input = analogRead(0);
TEMPESP = (max.temperature(RNOMINAL, RREF)-correcaopt100);
TEMPAMB = t;
myPID.Compute();
analogWrite(5,Output);
TIME = millis()-currentMillis;
//calcula o valor da umidade.
var1=pow((TEMPESP+273)/(TEMPAMB+273),-4.9283);
var2=pow((TEMPESP+273),-1);
var3=pow((TEMPAMB+273),-1);
var4=pow(10,(-2937.4*(var2-var3)));
UMI=var1*var4*100;
//imprimi valores no banco de dados.
Serial.println( (String) "DATA,TIME," +TIME+","+ Setpoint + "," + Input + "," + Output + "," +
TEMPESP + "," + TEMPAMB + "," + h + "," + UMI + "" );
}
// reseta valores para iniciar nova medição.
88
botao=0;
analogWrite(5,0);
digitalWrite(6,LOW);
digitalWrite(7,LOW);
}
}
}
}
float t = (dht.readTemperature()-correcaotdh);
TEMPESP = (max.temperature(RNOMINAL, RREF)-correcaopt100);
float h = dht.readHumidity();
flag = 0;
}
89
APÊNDICE B – FLUXOGRAMA.
INICIO
BOTÃO INICIA NÃO
SET SAÍDA 6 E 7 PARAAQUECIMENTO DO ESPELHO.
TEMPERATURA ESPELHO = TEMPERATURA
AMBIENTE +1
NÃO LE A UMIDADE ETEMPERATURA DO SENSOR
DHT
SIM
SIM
TERMINOU MEDIÇÃO
NÃO
SET SAÍDA 6 E 7 PARARESFRIAMENTO DO
ESPELHO.
LE A ENTRADA DO LDR
DEFINE SETPOINT = A 1.15 XA LEITURA DO LDR
DEFINE SAÍDA DO PWM
SIM
LE ENTRADA DO LDR
LE TEMPERATURA DOESPELHO
CALCULA PI
DEFINE SAÍDA DO PWM
ENVIA DADOS PELA SERIAL
INPUT >= SETPOINT
SIM
NÃO
TIMER >= DEFINIDOLE A UMIDADE E
TEMPERATURA DO SENSORDHTNÃO
LE ENTRADA DO LDR
CALCULA PI
DEFINE SAÍDA DO PWM
DEFINE SAÍDA DO PWM
CALCULA UMIDADE
ENVIA DADOS PELA SERIAL
DEFINE FIM DA MEDICAO
DESLIGA SAIDA 6 E7
DESLIGA SAIDA DO PWM
FIM
SIM
SIM
93
APÊNDICE C – MEMORIAL DE CALCULOS MATHCAD
94
UMIDADE RELATIVA
DADOS DE ENTRADA:
MODELO MATEMÁTICO:
DERIVADAS PARCIAIS:
CALCULO DO RESULTADO:
Ta 22.52 uTa 0.5 Te 12.28 uTe 0.1
URTe 273( )
Ta 273( )
4.9283
102937.4 Te 273( )
1Ta 273( )
1
100
dTeTe
Te 273( )
Ta 273( )
4.9283
102937.4 Te 273( )
1Ta 273( )
1
100
d
d
dTaTa
Te 273( )
Ta 273( )
4.9283
102937.4 Te 273( )
1Ta 273( )
1
100
d
d
dTa 3.18
dTe 3.445
U dTa2
uTa2
dTe2
uTe2
UR 52.323 U 1.627
95
ANEXO A – RECOMENDAÇÕES PARA DESENVOLVIMENTO E
UTILIZAÇÃO DE UM HIGRÔMETRO DE PONTO DE ORVALHO.
96
Os requisitos gerais para a exposição de sensores de umidade são
semelhantes aos de sensores de temperatura, sendo que os principais requisitos
incluem:
a) proteção contra radiações solares diretas, contaminantes atmosféricos,
chuva e vento;
b) evitar a criação de um microclima local dentro da estrutura de alojamento
do sensor, madeira e materiais sintéticos podem absorver ou liberar
vapor d’água de acordo com a umidade atmosférica.
Os erros na medição da umidade podem ser causados por:
a) Modificação da amostra de ar, por exemplo, por calor ou fonte de vapor
d’água;
b) Contaminação do sensor, por exemplo, por sujeira;
c) Erro de calibração, incluindo correção de pressão, coeficiente de
temperatura do sensor, e interface elétrica;
d) Tratamento inadequado da fase água / gelo;
f) Operação incorreta, por exemplo, falha ao alcançar equilíbrio estável;
g) Uso inadequado de amostragem e/ou intervalos de media.
Os seguintes procedimentos de manutenção devem ser considerados:
a) Limpeza: Sensores e caixas devem ser mantidos limpos. Por exemplo,
higrômetros de cabelo e de espelho resfriado, devem ser limpos com
água destilada regularmente. Já os que possuem algum tipo de eletrólito
revestimento, ou com substrato polímero, não podem, em hipótese
alguma, ser tratados desta maneira. O fornecimento de instruções para
operadores e equipe de manutenção é vital;
b) Verificação e calibração de instrumentos de campo.
97
Como o higrômetro de espelho resfriado está sujeito a influencias que
podem afetar seu desempenho, deve-se realizar comparações regulares com um
instrumento de referência, como um psicrômetro de Assmann ou outro higrômetro de
espelho resfriado.
Um instrumento usado continuamente em campo deve ser objeto de
medições de verificação semanal. Quando possível, sua operação nos os pontos de
orvalho e geada devem ser verificados. Quando a temperatura do espelho é inferior a
0 ° C, deve-se inspecionar visualmente, se for possível, se há deposito de água super-
arrefecida ou gelo. Uma verificação útil é comparar a temperatura do espelho com a
temperatura do ar enquanto o sistema de controle térmico do higrômetro está inativo.
Um sistema eletro-óptico é normalmente empregado para detectar a
formação de condensação e fornecer a entrada para o sistema de controle regular a
temperatura do espelho. Um feixe estreito de a luz é direcionado para o espelho em
um ângulo de incidência de cerca de 55 °. Em sistemas simples, a intensidade da luz
refletida é detectada por um fotodetector que regula o arrefecimento e aquecimento
utilizando um controlador. A refletividade da superfície diminui conforme a espessura
de depósito aumenta, o arrefecimento deve cessar enquanto o depósito está fino, com
uma redução refletância na faixa de 5 a 40 por cento.
Sistemas mais elaborados usam um fotodetector auxiliar que detecta a luz
espalhada pelo depósito, sistemas com dois detectores são capazes de um controle
de temperatura mais preciso. Um segundo espelho, não resfriado, pode ser usado
para melhorar o sistema de controle. A maior precisão é obtida quando a temperatura
do espelho não permite que o condensado se acumule nem se dissipe. É fundamental
que o tempo de resposta do espelho ao aquecimento e arrefecimento fique em torno
de 1 a 2 s. É possível determinar a temperatura em que a condensação ocorre com
uma precisão de 0,05 K
98
ANEXO B – PELTIER DEW POINT HYGROMETER PATENTED 3 DE
DEZEMBRO DE 1963
Dec. 3, 1963 e. A. DULK ETAL 3,112,648 PELTIER DEW PQINT HYGROMETER
Filed Dec. 11. 1961 2 Sheets-Sheet 1
l Iég \
‘q _ II I w
I i ' % INVENTOR; q) Eeurge. FLDuIK
Emma?J- P 11]: us
.35 713144110- 1%
3,1 12,648 Dec. 3, 1963 s. A. DULK ETAL
PELTIER DEW POINT HYGROMETER
. 2 Sheets-Sheet 2 Filed Dec. 11. 1961
IN V EN TOR; A.)
PH]: us
United States Patent O? ice ‘3,1 12,648 Patented Dec. 3., 1963
1
3,112,648 PELTTER DEW PORT HYGRGMETER
George A. Dnlk, .Foppa, and Emmett 3. 1it’yhus, Hayre do Grace, Md, assignors to the United States of Amer ica as represented by the Secretary of the Army
Filed Dec. 11, 1961, Ser. No. 158,617 1 Cim'm. (Q1. 73—336.5)
(Granted under Title 35, US. Code (1952), see. 266)
The invention described herein may be manufactured and used by or for the Government for governmental purposes without the payment to us of any royalty thereon.
This invention relates in general to dew point hygrom eters, and more particularly to a dew point hygrometer utilizing Peltier thermoelectric cooling. Dew point hygrometers are widely used for determining
and recording the dew point temperature of the air at some location where the information is required, such as a station of the Weather Bureau, for example, or as part of an instrument sent into the air on a ballon or rocket. Such a hygrometer, to be acceptable, must be inexpensive to construct and adapted to operate over extended periods of time in inaccessible places such as weather ballons, automatic weather stations, or the like. In addition, such hygrometers must be adapted to provide stable operation even when subject to adverse conditions.
It is, therefore, an object of this invention to provide a Peltier dew point hygrometer which is inexpensive to construct and which is adapted to operate over extended periods of time in inaccessible places.
Another object of the present invention is to provide a hygrometer with improved speed response.
Still another object of this invention is to provide a durable hygrometer having a high degree of accuracy. A further object of this invention is to provide a hy
grometer which is readily regulative. The foregoing and other features of the invention will
be described more fully hereinafter, reference being made to the accompanying drawings, in which: FIGURE 1 is a perspective view of the Peltier hygrom
eter and control system; and FIGURE 2 is a circuit diagram of the electrical control
system used to control the hygrometer. The Peltier ellect, one of the thermoelectric eifects, is
the cooling of the junction between two dissimilar mate rials when a current is passed through it. Heating of the junction is obtained by reversing the directing of current flow. The basic equation describing the phenomenon is
- . 1 . (it = __ 2__ ..___ Q JSTO 2P] K dz
where: p
Q is the rate of heat absorbed at the junction from the environment
1' is the current density at the junction S is the Seebeck coe?icient for the material To is the temperature of the junction in degrees Kelvin p is the resistivity of the material K is the heat conductivity of the material
%; is the temperature gradient across the length of mate
rial at a junction. The above equation applies at the junction of the mate
rial elements (legs) comprising the junction. The maximum change in temperature obtainable,
ATmax, can be approximated
1 S2 ATmu=§ZT02, Z=FK
where Z is the ?gure of merit and p equals the resistivity of the semiconductor material.
10
25
30
35
45
50
55
60
65
70
2 Referring now to FIGURE 1, there is shown an em
bodiment of the present invention in which the numeral 1 represents generally a Peltier type thermoelectric junc tion and its enclosure. The thermoelectric junction con sists of two copper blocks 2 and 3 secured together by non-conductive strips 4 and screws 5. Located between the blocks 2 and 3 is an insulator strip 6 which serves to isolate the blocks electrically from each other. A termi nal connection 7 is provided for each block. The copper blocks are preferably provided with ?ns 8 to give maxi mum area for heat dissipation. A ?rst and second piece of thermoelectric material 9
and 1d are electrically secured to the copper blocks 2 and 3, respectively. These pieces of material are of di?erent type material, i.e., of the p and 11 type. The opposite ends of the pieces of material are secured electrically to a polished metal block 11. Also secured within block 11 is a resistance thermometer, or thermistor, or thermo couple 12 which may be located, for example, in an aper ture as shown. The blocks 2 and 3 are enclosed within a housing 14
and are secured to the inside of the housing by any suitable means (not shown). One end of the housing 14 has an opening 15 therein. Located within the opening is a fan 33 which is used to draw air across the ?ns in order to aid cooling. Fan 38 also draws air across the mirrored surface of block 11. An exhaust vent 13 is provided for expelling the air. Stand off mounting means 40 are PI'O? vided for mounting the housing 14.
Secured to the top of the housing 14 is’an observing means 37. The observing means 37 is mounted over a slot in the top of the housing 14 so that the illumination from the light source 16 will strike the mirrored surface of the polished block 11. Also mounted within observing means 37 are two photocells 17, 18 which may be of the semiconductor type. The photocell 18 is so mounted that it will receive the direct re?ection of source 16 from the mirror surface of block 11. Photocell 17 is mounted directly over the mirrored surface so as to receive only indirect or dilfused illumination from the source 16.
Referring to the circuit diagram of FIGURE 2, there is shown generally the control circuit 19 for operating the thermoelectric junction. The control circuit 19 is made up of a two-stage ampli?er system having an NPN transis tor 20 and a PNP transistor 21 connected together as direct current ampli?ers. Connected to the base of tran sistor 2% are the two photocells 17, 18 (shown in FIG. 1) which are connected in series to form a voltage divider circuit. The collector of the transistor 20 is connected through a resistor 41 to a positive source of potential 22. Connected between the potential source 22 and ground is a second voltage divider circuit consisting of a resistor 23 connected in series with a Zener diode 24. The charac teristics of the Zener diode are explained in the textbook “Vaccum-tube and Semiconductor Electronics,” by Jacob Millman, McGraw-Hill Book Co., 1958, pages 116-119. The emitter of the transistor 20 is connected to the junc tion of the resistor and diode. The base of the second transistor 21 is connected directly to the collector of the transistor 20 while the emitter of transistor 21 is connected directly to the potential source 22. The collector of the transistor 21 is connected through a relay 25 to ground. Located across the relay coil 26 is a capacitor 27 which serves to hold the relay open for a predetermined period of time upon each operation of the control circuit. The relay 25 is of the double pole double throw type having one contact 28 of the relay connected to the collector of the transistor 21 while the second contact 29 is con nected to the coil of a second relay 31. Connected in shunt with the coil 36 is a diode 39 which serves to dis charge the coil 30 upon the termination of the operating
a, ‘3
signal. The relay 31 is also of the double pole double throw type having ?rst and second contacts 32, 33 ganged together for simultaneous operation.
In considering the operation of the circuit shown in FIGURE 2, assume that at the beginning of the operation cycle the resistance of photocell 13 is small with respect to the resistance of photocell 17 by virtue of its receiv ing a maximum of re?ected light from source 16. Con sequently the larger portion of the voltage drop between the potential source 22 and ground will occur across photocell 17. ' Thus the voltage appearing on the base of transistor 2%)‘ will be close to that of the grounded side of photocell 18. It should be noted that the emitter of transistor 2%} is clamped at a positive value in reference to ground by the Zener diode 24 and resistor 23. Thus, with the base at substantially ground potential, the tran sistor 20 will be non-conductive since its emitter will be positive with respect to the base. With the transistor 29 in a non-conductive state, there will be no potential drop across the resistor 41. Therefore, the full potential of the source 22 will be applied to the base of transistor 21, thereby biasing the transistor into its non-conductive state. The current ?ow through coil Zé will be insu?i cient to operate the relay 25 with the transistor 21 in a non-conductive state. Hence the relay will remain in its normally closed position, as shown in FIGURE 2. In this closed position the contact 28 will remain connected to the co?ector of transistor 21 while the contact 29 Will remain in contact with the power source 34. With the contact 29 connected to the source 34, the relay coil 30 of the relay 31 will be energized thereby connecting the contacts 32, 33 to the Peltier junction 9—11 so as to pass a large current through this junction for the start of the cooling cycle. With the current passing from the p type piece of the junction to the n type piece, a cooling of the mirrored surface of the metal block 11 takes place. When the cooling of the block 11 has pro gressed su?‘iciently far, ‘a “dew spot” will begin to form on the mirrored surface. This dew spot Will decrease the amount of light being re?ected from the polished surface of metal block 11 onto the photocell 18 while at the same time the amount of indirect or di?used illumina tion striking the photocell 17 will increase. This change in illumination striking‘ the photocells will cause a cor responding change in the conductivity of the cells with photocell 17 becoming more conductive while photocell 18 will become less conductive. As the dew spot be comes larger, there will be a corresponding change in the voltage appearing at the base of transistor 26*. With the photocell 17 in a low resistance state while
photocell 18 is exhibiting high resistance, the majority of the voltage drop between the source 22 and ground will occur across the cell 18. Under these conditions the voltage on the base of the transistor 20 will be substan tially that of the source 22 thereby placing the transistor in a conductive state. With the transistor 24} conducting, there will be a voltage drop across the resistor 23 which will be su?icient to place transistor 21 in a conductive state. As the current through transistor 21 increases, the relay coil 26 will be energized thereby opening the relay 25. The energy stored in the capacitor 27 allows
8,112,648
10'
20
25
40
45
50
Lil. the relay 25 to remain in the open position for a' prede termined period of time su?icient to complete the heat cycle. With the relay 25 opened, the contact 29 will be disconnected from the source 34 causing the relay 31 to become de-energized. With the relay 31 de-energized, the contacts 3~2—33 will close thus causing a reverse cur rent to flow through the Pel-tier junction 9-4.1. This reverse current flow will start the ‘heating cycle of the system. The added resistor 35 is placed in the Peltier junction
circuit to reduce the current thru the junction and admit only the current necessary to remove the dew spot from the re?ecting surface. . .
Having the two photocells 17 and 18 in the control cir cuit permits the operation of the system to be based on a ratio of the light intensities re?ected and di?used rather than being. directly dependent on light intensity. Thus any ?uctuations of the light source 16 will [not a?ect the operation of the Peltier dew point hygrometer. The operation of the system produces a “temperature
bracketing” of the dew point. The temperature is con tinuously monitored by the thermistor 12 thereby giv ing an accurate indication of the dew point at the hy grometer location at any given time.
‘While we have shown and ‘described a single embodi ment of our invention, it should be obvious that various modi?cations may be made Without departing from the scope thereof. Hence, it is our intention to cover in the attached claim not only the particular circuit shown in the drawing, but also modi?cations which fall within the true scope of our invention as set forth in the ap pended claim. '
What is claimed is: In a dew point hygrometer having a Peltier junction,
control means for the junction comprising a ?rst and second photosensitive semiconductor connected in series between a power source and a reference potential, a ?rst transistor having its base connected to the junction of the photosensitive semiconductors, a resistor connected be tween the collector of the ?rst transistor and the power source, a voltage divider system connected to the emitter of the ?rst transistor so as to bias the emitter positive in reference to the reference potential, a second transistor, means for connecting the base of the second transistor directly to the collector of the ?rst transistor, means for connecting the emitter of the second transistor directly to the power source, a ?rst relay means connected to the collector of the second transistor, a capacitor con nected across the ?rst relay means, a second relay means connected to and controlled by the ?rst relay means, means connecting the output of the second relay to the Peltic-r junction so that the direction of current flow through the junction ‘will be controlled by the control means.
References Cited in the ?le of this patent
UNITED STATES PATENTS
2,720,107 McBrair ___________ __ Oct. 11, 1955 2,893,237 De Coriolis et al. ____ __ July 7, 1959 2,979,950 Leone _____________ __ Apr. 18, 1961